Суточный ход температуры в пограничном слое атмосферы

Известно, что воздух при расширении охлаждается, при сжатии — нагревается. В атмосфере при восходящем движении воздух, попадая в области более низкого давления, расширяется и охлаждается, и, наоборот, при нисходящем движении воздух, сжимаясь, нагревается. Изменения температуры воздуха при его вертикальных движениях в значительной степени обусловливают образование и разрушение облаков.Температура воздуха с высотой обычно понижается. Изменение средней температуры с высотой над Европой летом и зимой приведено в таблице "Средние температуры воздуха над Европой".Уменьшение температуры с высотой характеризуется вертикальным температурным градиентом. Так называется изменение температуры на каждые 100 м высоты. Для технических и аэронавигационных расчетов вертикальный температурный градиент принимают равным 0,6. Нужно иметь в виду, что это величина непостоянная. Может случиться, что в каком-либо слое воздуха температура с высотой не будет изменяться. Такие слои называются слоями изотермии.Весьма часто в атмосфере наблюдается явление, когда в некотором слое температура с высотой даже возрастает. Такие слои атмосферы называются слоями инверсии. Инверсии возникают от различных причин. Одной из них является охлаждение подстилающей поверхности путем излучения в ночное или зимнее время при ясном небе. Иногда, в случае штиля или слабого ветра, приземные слон воздуха также охлаждаются и становятся холоднее вышележащих слоев. В результате на высоте воздух оказывается более теплым, чем внизу. Такие инверсии называются радиационными. Сильные радиационные инверсии наблюдаются обычно над снежным покровом и особенно в горных котловинах, я также при штиле. Слои инверсии простираются до высоты нескольких десятков или сотен метров.Инверсии возникают также вследствие перемещения (адвекции) теплого воздуха на холодную подстилающую поверхность. Это так называемые адвективные инверсии. Высота этих инверсии — несколько сот метров.Кроме этих инверсий, наблюдаются инверсии фронтальные и инверсии сжатия. Фронтальные инверсии возникают при натекании теплых воздушных масс на более холодные. Инверсии сжатия возникают при опускании воздуха из верхних слоев атмосферы. При этом опускающийся воздух нагревается иногда настолько сильно, что нижележащие слои его оказываются более холодными.      Инверсии температуры наблюдаются на различных высотах тропосферы, наиболее часто—на высотах около 1 км. Толщина инверсионного слоя может колебаться от нескольких десятков, до нескольких сотен метров. Разность температур при инверсии может достигать 15—20°.Слои инверсий играют большую роль в погоде. Вследствие того что воздух в слое инверсии теплее нижележащего слоя, воздух нижних слоев не может подняться. Следовательно, слои инверсий задерживают вертикальные движения в нижележащем слое воздуха. При полете под слоем инверсии обычно наблюдается рему («болтанка»). Выше же слоя инверсии полет самолета обычно происходит нормально. Под слоями инверсий развиваются так называемые волнистые облака.Температура воздуха оказывает влияние на технику пилотирования и эксплуатацию материальной части. При температурах у земли ниже —20° застывает масло, поэтому заливать его приходится в подогретом состоянии. В полете при низких температурах интенсивно охлаждается вода в охлаждающей системе мотора. При повышенных же температурах (выше+30°) может получиться перегрев мотора. Температура воздуха влияет также и на работоспособность экипажа самолета. При низкой температуре, доходящей в стратосфере до —56°, требуется специальное обмундирование для экипажа.Температура воздуха имеет весьма большое значение для прогноза погоды.Измерение температуры воздуха во время полета на самолете производится при помощи электрических термометров, прикрепляемых на самолете. При измерении температуры воздуха необходимо иметь в виду, что вследствие больших скоростей современных самолетов термометры дают ошибки. Большие скорости самолетов вызывают повышение температуры самого термометра, обусловленное трением его резервуара о воздух и влиянием нагрева вследствие сжатия воздуха. Нагревание от трения с повышением скорости полета самолета возрастает и выражается следующими величинами:Скорость в км/час ............. 100      200     З00     400     500     600Нагревание от трения ....... 0°,34   1°,37   3°.1     5°,5     8°,6    12°,б Нагревание же от сжатия выражается следующими величинами:Скорость в км/час ............. 100      200     300     400     500     600Нагревание от сжатия ....... 0°,39   1°,55   3°,5    5°,2     9°,7    14°,0Искажения показаний термометра, установленного на самолете, при полете в облаках на 30 % меньше приведенных выше величин, вследствие того что часть тепла, возникающего при трении и сжатии, расходуется на испарение воды, сконденсированной в воздухе в виде капель.[Температура воздуха http://www.sevparaplan.com/meteo/571-temperatyra]Распределение температуры в атмосфере с высотой называют стратификацией атмосферы. От стратификации зависит устойчивость атмосферы, т.е. возможность перемещения определенных объемов воздуха в вертикальном направлении. Такие перемещения больших объемов воздуха происходят почти без обмена теплом с окружающей средой, т.е. адиабатически. При этом изменяется давление и температура перемещающегося объема воздуха. Если объем воздуха движется вверх, то он переходит в слои с меньшим давлением и расширяется, в результате чего его температура понижается. При опускании воздуха происходит обратный процесс.С высотой суточная амплитуда температуры уменьшается. По данным С. А. Сапожниковой, на станции Арысь (Средняя Азия) на высоте 5 см днем при ясной погоде температура достигала 38,1° выше нуля, а на высоте 1,5 м — всего лишь 35,2° при средней скорости ветра 2,9 м/сек. Ночью, наоборот, на высоте 5 см температура понизилась до 15,3°, между тем как на высоте 1,5 м при средней скорости ветра, равной 1,6 м/сек, она составляла 16,3°. На первой высоте суточная амплитуда достигала 22,8°, а на второй — лишь 18,9°.2.4. Факторы, определяющие суточный ход температурыПри отсутствии горизонтального переноса (адвекции) тепла и холода, а также трансформации воздуха (см. ниже) суточный ход температуры воздуха зависит от следующих факторов: притока солнечной радиации, эффективного излучения, испарения влаги, турбулентного теплообмена подстилающей поверхности с атмосферой и теплообмена в почве. Так как в различных географических условиях все эти факторы действуют различно, то и суточный ход температуры в разных частях земного шара неодинаков. Он различен на разных широтах, над водной поверхностью и сушей, над влажной и сухой почвой, он зависит от облачного покрова, степени прозрачности воздуха и т. п.С восходом солнца приток солнечной радиации усиливается. По мере увеличения притока прямой и рассеянной радиации поверхность суши нагревается; нагревание продолжается до тех пор, пока не устанавливается равновесие между притоком тепла и теплоотдачей. От подстилающей поверхности вследствие турбулентного переноса тепла нагреваются сначала нижние, а затем и выше лежащие слои воздуха. Ночью в результате излучения температура почвы понижается, но это понижение несколько ослабевает в связи с турбулентным переносом тепла от воздуха к почве. Так как воздух нагревается и охлаждается от подстилающей поверхности, то наибольшая разность между максимальной и минимальной температурами наблюдается вблизи поверхности земли.В приземном слое воздуха при небольших скоростях ветра вследствие ослабления турбулентного перемешивания амплитуда температуры больше, чем при больших скоростях ветра, когда вследствие усиления турбулентного перемешивания величина амплитуды уменьшается.Большое число влияющих на суточный ход температуры факторов, которые меняются во времени и пространстве, очень затрудняет расчет суточного хода температуры. Однако уже имеется ряд методов, позволяющих рассчитать суточный ход температуры, правда лишь на ближайшие сутки. Так, М. Е. Швецу удалось учесть влияние облачности и расхода тепла на испарение и построить графики для определения суточного хода температуры, которые нашли применение в оперативных органах службы погоды СССР.Способы определения ночного минимума температуры, основанные на несколько иных принципах, предложены Д. Л. Лайхтманом, М. Е. Берляндом и А. С. Зверевым. Эти способы расчета дают достаточно высокую оправдываемость и применяются при прогнозах туманов и ночных заморозков.3. СУТОЧНАЯ АМПЛИТУДА ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ЗОНСредняя суточная амплитуда температуры воздуха над сушей в экваториальной и тропической зонах Земли достигает 12—15°. По мере передвижения на север (в средних широтах северного полушария) суточная амплитуда уменьшается. Так, например, в южных районах СССР при ясном небе летом средняя суточная амплитуда температуры равна 16—19°, в средней полосе 13—15°, в северных районах 8—10°. Зимой суточная амплитуда при тех же условиях заметно меньше. В частности, в южных районах СССР она равна 10—12°. Над влажной или покрытой растительностью почвой суточная амплитуда меньше, чем над оголенной и сухой почвой. Еще в большей степени суточная амплитуда температуры зависит от облачности. При полном покрытии неба облаками, особенно при ветреной погоде, суточная амплитуда невелика. Умеренный и сильный ветер перемешивает воздух, уменьшая тем самым и прогревание и охлаждение его. При пасмурном небе суточная амплитуда температуры летом в южных районах СССР составляет 10—12°, в средней полосе 8—9° и на севере 4—6°.В табл. 14 приводятся разности величин суточной амплитуды температуры при ясном и пасмурном небе по данным Д. А. Педь и 3. Л. Туркетти. Из таблицы следует, что на юге СССР (Кушка) в течение года они больше (8—13°), чем в других районах, и мало меняются от месяца к месяцу. На севере страны (Игарка) эти разности несколько меньше (2—7°). На всех других станциях разности величин амплитуды в течение года занимают промежуточное положение между разностями на указанных выше южной и северной станциях. При этом в умеренных широтах в летний период они несколько больше, чем в зимний. Особо выделяется район Каспийского моря (Красноводск), в котором почти в течение всего года разности составляют 2—4°.При ясном небе максимальные суточные амплитуды температуры достигают значительных величин. В табл. 15 для сравнения приведены средние и максимальные значения суточной амплитуды для ряда пунктов при ясном небе.Как видно из табл. 15, в районах с резко континентальным климатом максимальные величины суточной амплитуды достигают 29—30° (Байрам-Али, Оймякон), а на береговых станциях обычно не превышают 10—12° (Владивосток, Канин-Нос, Махачкала).В Центральной Арктике и Антарктике суточная амплитуда в течение года, за исключением периода равноденствия, почти отсутствует в связи с тем, что летом солнце вовсе не заходит за горизонт, а зимой не восходит. Суточная амплитуда температуры воздуха над водной поверхностью обычно не превышает 2—3°, так как температура поверхности вод морей и океанов в течение суток подвергается весьма небольшим изменениям.Небольшая суточная амплитуда температуры воздуха над водными бассейнами объясняется тем, что изменения температуры поверхностных вод благодаря турбулентному перемешиванию передаются в ниже лежащие слои воды. По некоторым данным, суточные изменения температуры в водоемах проникают до глубин 15—20 м. Глубина проникновения суточных изменений температуры в почве гораздо меньше и составляет 0,5-1,0 м.В почве и воде годовые колебания температуры распространяются по-разному. В морях и океанах они проникают до 60— 200 и даже 300 м, а на суше — до 15—20 м. Например, в районе Калининграда амплитуда годовых колебаний температуры в море и на суше следующая: на поверхности моря и суши амплитуда составляет соответственно 19,0 и 20,3°, на глубине 5 м — 18,6 и 3,9°, на глубине 15 м — 7,5 и 0,1°; наконец, на глубине 23 м годовые колебания температуры в море составляют 6,5°, а на суше на этой же глубине температура не испытывает никаких изменений.На рис. 17 приведены кривые суточного хода температуры в ряде пунктов в августе при ясной погоде. Как видно на рисунке, большая амплитуда наблюдается в Ереване и Душанбе, где дневное прогревание и ночное охлаждение происходят наиболее интенсивно в связи с расположением этих городов в котловине, в окружении гор. Меньшая амплитуда имеет место в Сочи, находящемся на берегу южного моря, и в Таллине, расположенном на берегу Финского залива.Суточный ход температуры воздуха в Ереване, Сочи, Таллине и Душанбе при ясной погоде летомЗАКЛЮЧЕНИЕЛИТЕРАТУРА