ПРОГНОЗ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ - КОМПОНЕНТОВ ПОГОДЫ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ

Влияние трансформационных процессов на формирование погодных условий в приземном слое атмосферы. Понятие о тепловом балансе термодинамической системы «земная оболочка - атмосфера»

Как указывалось в гл. 3, существуют следующие факторы, влияющие на характеристики и изменение погоды:

  • — трансформационные, связанные с перемещениями воздушных масс под влиянием взаимодействия с подстилающей поверхностью и изменением притока лучистой энергии Солнца;
  • — циркуляционные, обусловливающие непериодические изменения погоды в связи с развитием и перемещением воздушных масс, циклонов, антициклонов и т.д.;
  • — местные, связанные с особенностями рельефа поверхности, наличием озер, рек, больших городов и т.д.

Влияние каждого из этих факторов на изменения погоды и отдельных метеорологических элементов различно и зависит от конкретных условий. Так, при прогнозе синоптического положения в свободной атмосфере или при прогнозе температуры воздуха на высоте более 100 м, естественно, в основном учитываются непериодические циркуляционные факторы, а на формирование процессов, происходящих в дорожных конструкциях, конечно, основное влияние оказывают трансформационные и местные факторы.

Рассмотрим более подробно трансформационные процессы - перемещение воздушных масс на границе «подстилающая поверхность — приземной слой воздуха». Для этой системы уравнение баланса энергии, называемое уравнением теплового баланса, имеет вид (рис. 4.1)

где В — радиационный баланс горизонтальной поверхности земли; Р — поток тепла в подстилающую поверхность (вглубь земной оболочки); L — турбулентный обмен потоками тепла между подстилающей поверхностью и приземным слоем воздуха; V — поток тепла, возникающий вследствие испарения или конденсации влаги на подстилающей поверхности земли.

Направления составляющих теплового баланса

Рис. 4.1. Направления составляющих теплового баланса:

а — положительные направления (в дневное время суток);

6 — отрицательные направления (в ночное время суток)

Приведенное уравнение является частным выражением закона сохранения энергии для термодинамической системы «земная оболочка — атмосфера» и отражает процесс распределения тепла, поступающего на поверхность Земли от основного источника — Солнца, на нагревание верхних слоев Земли и приземного слоя воздуха и на испарение с поверхности. Числовые значения и режимы отдельных компонентов уравнения теплового баланса зависят от вида деятельной (подстилающей) поверхности, погодных условий, времени года и часа суток. В дневные часы суток, как правило, составляющие теплового баланса имеют направления, условно принимаемые за положительные (рис. 4.1, а), в ночные часы — за отрицательные (рис. 4.1, б).

Рассмотрим методики определения составляющих теплового баланса и закономерности их изменения в суточном и годовом циклах. В системе СИ потоки тепла имеют размерность [кДж/м2 ч].

Радиационный баланс представляет собой результирующую лучистого теплообмена у земной поверхности, равную разности между приходящей частью радиации и расходной частью (рис. 4.2):

где Q — суммарная коротковолновая радиация (прямая S и рассеянная D) с длиной волны в видимой части спектра от 0,3 до 3,0 р;

?а — длинноволновая радиация атмосферы с длиной волны более 3,0 р; R — отраженная коротковолновая радиация

где А — альбедо поверхности, зависящее от цвета и шероховатости подстилающей поверхности; Еп собственное длинноволновое излучение подстилающей поверхности; 5 — относительная поглощающая способность подстилающей поверхности, равная для грунтовых и искусственных (бетонных и асфальтобетонных поверхностей) 0,80—0,95.

Составляющие радиационного баланса

Рис. 4.2. Составляющие радиационного баланса:

а — днем В = Вк + 5Л; б — ночью В = Вл

Итак, радиационный баланс состоит из коротковолновой части Вк, имеющей место от восхода до захода Солнца, и длинноволновой части 5Д, имеющей место всегда.

Согласно приведенным данным

Собственное излучение подстилающей поверхности, как известно, пропорционально четвертой степени абсолютной температуры тела:

где а — постоянная Стефана — Больцмана; Т — абсолютная температура поверхности тела, К.

Поскольку, как правило, Еи > ?а, длинноволновый баланс представляет собой количество тепла, которое тело (подстилающая поверхность) теряет вследствие излучения. Величину Еп = ЪЕЛ называют эффективным излучением ?эф.

Радиационный баланс положителен (направлен вниз) при действии прямой солнечной радиации и отрицателен при ее отсутствии. При действии прямой солнечной радиации тепловой день — часть суток с положительным радиационным балансом — начинается примерно на час позже восхода солнца и заканчивается на час раньше захода солнца. В отдельные периоды года (весна, лето, осень, зима) радиационный баланс значительно отличается по величине, но характер его суточных изменений не меняется.

Основным механизмом переноса тепла в дисперсных материалах, которыми являются грунт и конструктивные слои дорожной одежды, является контактная теплопроводность, поэтому поток тепла может быть определен по известным данным об изменениях температуры но толщине в слое, где ощутимы колебания температуры за интервал времени At, называемом деятельным слоем.

Согласно основному закону теплопроводности Фурье для однородного потока тепла

Поток тепла за промежуток времени At может быть получен путем интегрирования этого уравнения по V.

где X — коэффициент теплопроводности, Вт/м • К (1 Вт = 1 Дж/с).

Величина потока тепла может быть определена по изменению теплосодержания слоя толщиной Я:

Величины потоков тепла в дорожной конструкции зависят от теплофизических свойств материалов отдельных слоев, если она слоистая, т.е. от теплофизических характеристик: удельной теплоемкости С, (удельная теплоемкость — количество тепла, необходимого на нагревание 1 кг вещества на 1 К или 1°С, имеет размерность [Дж/кг • К]), коэффициента теплопроводности А,, каждого слоя, а также плотности слоя у,-. В дневное время суток поток тепла направлен в подстилающий слой, причем смена направлений знака потока в подстилающую поверхность — происходит утром и вечером при положительном радиационном балансе.

Турбулентный поток тепла L имеет место всегда, когда существует градиент температуры между поверхностью земли и приземным слоем воздуха:

где Свув — объемная теплоемкость воздуха, Дж/К • м3; k(z) — коэффициент турбулентности, характеризующий перенос тепла в вертикальном направлении, м2/ч.

В динамической метеорологии под приземным слоем воздуха понимают слой атмосферы, физическая структура которого и распределение температуры и влажности в котором зависят от свойств подстилающей поверхности.

Приближенно ноток тепла в ходе теплообмена «воздух — подстилающая поверхность» может быть вычислен по уравнению Ньютона

где ак — коэффициент конвективного теплообмена, кДж/м2-ч-град; Гп, 0В — температура подстилающей поверхности и приземного слоя воздуха соответственно, °С.

Величина ак существенно изменяется в течение суток и в первом приближении может быть определена на основе статистической обработки данных наблюдений как функция от скорости ветра (рис. 4.3):

Эмпирическое уравнение связи а = 3,28 • V + 3,37

Рис. 43. Эмпирическое уравнение связи ак = 3,28 VB + 3,37

Как видно из уравнения Ньютона, турбулентный поток тепла положителен, т.е. направлен от поверхности Земли, если Тп > 01}. В этом случае подстилающая поверхность в ходе теплообмена с воздухом теряет тепло, причем днем потери тепла вследствие теплообмена «дорожная конструкция — приземной слой воздуха» происходят за счет расходования части радиационного баланса, ночью — за счет потока тепла к поверхности покрытия из нижележащих слоев.

В случаях, когда Тп < 0В, например при отсутствии действия прямой солнечной радиации, турбулентный поток тепла направлен к поверхности дорожной конструкции и обеспечивает нагрев ее и нижележащих слоев.

Поток тепла вследствие испарения влаги V оказывает существенное влияние на процессы тепломассообмена на границе «подстилающая поверхность — приземной слой воздуха» и направлен вверх в случаях, когда подстилающая поверхность имеет высокую влажность (например, грунт после снеготаяния весной или асфальтированная поверхность после дождя). При значительной величине V, обусловленной испарением, существенно уменьшаются потоки тепла Р в дорожную конструкцию, т.е. не происходит ее интенсивного нагрева. Как правило, в ночное время испарение с любой поверхности незначительно, а иногда наблюдается и конденсация влаги на поверхности покрытия, сопровождающаяся увеличением потоков тепла в подстилающий слой.

На рис. 4.4 показаны диаграммы действия тепловых потоков в дорожной конструкции для условий V = 0 (поверхность покрытия водонепроницаемая и сухая) в дневные и ночные часы суток. На приведенной диаграмме ночью и днем при Ти > 0В турбулентный поток тепла направлен вверх, при Ти < 0В — вниз.

Диаграммы тепловых потоков на поверхности водонепроницаемого покрытия

Рис. 4.4. Диаграммы тепловых потоков на поверхности водонепроницаемого покрытия

(при отсутствии потока V — потока тепла вследствие испарения или конденсации влаги на поверхности покрытия):

а — днем; б — ночыо

Знание закономерностей изменения составляющих теплового баланса различных подстилающих поверхностей (грунта или дорожной конструкции) позволяет прогнозировать такие явления, как заморозки на почве или параметры водно-теплового режима дорожных конструкций: влажность, величину пучения, глубину промерзания и др., необходимые для оценки несущей способности и долговечности дорожных одежд.

Далее рассмотрим методы прогноза температуры воздуха и дорожной конструкции.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >