Введение 3
I. Исторический анализ исследований ветровой динамики 5
1.1 Теоретические основы влияния рельефа на поворот ветра 5
1.1. Экспериментальные исследования по данной теме 7
1.1 Проблемы и недостатки предыдущих исследований 9
1.2 Методы наблюдения и измерения ветра 11
II. Исходные материалы и методология 15
2.1 Описание объекта исследования 15
2.1.1 Физико-климатическое описание СПб и Петрозаводска 15
2.2 Формирование базы данных по аэрологических радиозондовым
наблюдениям 19
2.3 Интерполяция значений параметров ветра по высотам 22
III Статистической анализ и обработка полученных данных 23
3.1 Частотное распределение значений направления ветра 23
3.2 Сравнение роз ветров 32
3.3 Профили значений направления ветра в нижнем слое тропосферы 41
3.4 Корреляционная матрица значений направления ветра 47
3.5 Определение и аппроксимация «типичного» профиля значений
направления ветра 49
3.6 Верификация полученных уравнений 51
3.7 Оценка влияния рельефа на поворот направления ветра 52
Заключение 55
Список литератруры 57
Исследование направления ветра и его изменения с высотой в пограничном слое атмосферы является ключевым фактором для прогнозирования загрязнения воздуха на определенной территории. Существует установленный факт, что наибольшее загрязнение атмосферы наблюдается в условиях антициклональной погоды и устойчивой стратификации. Поэтому необходимы данные о вращении ветра с высотой в таких атмосферных условиях в конкретном регионе.
Поворот ветра с высотой обусловлено шероховатостью подстилающей поверхности, поскольку движение воздуха в непосредственной близости к земной поверхности сдерживается трением, пропорциональным шероховатости поверхности. Таким образом, характер ландшафта, расположение и густота растительности, обилие
водоемов, рек, холмов и зданий оказывают влияние на градиенты направления ветра в вертикальном направлении.
Поэтому для более точных прогнозов загрязнения воздуха необходимо учитывать местные особенности и изменения направления ветра с высотой, особенно в условиях антициклональной погоды и устойчивой стратификации.
Атмосферный пограничный слой — область атмосферы между поверхностью Земли и высотой от 500 до 3000 метров, на которую существенно влияют энергия и влага с поверхности [Якобсон]. Его глубина изменчива в пространстве и времени, а сопротивление трению, испарение, теплопередача, выбросы загрязняющих веществ и орография местности являются основными параметрами, влияющими на его структуру, при отсутствии которых ветры были бы чисто геострофическими.
Примеры практического использования настоящего исследования.
Пример1. Для обеспечения долговечности материалов и конструкции линий электропередач сооружаются защитные экраны, ограждающие ЛЭП высоких напряжений от пылевидных частиц, приводящих к нежелательному загрязнению изоляции ЛЭП. Для этого нужно знать типичное направление ветра на высоте стоек ЛЭП.
Пример 2. Расчет ветровой нагрузки, вызывающей колебания сооружений, и могущей нарушить нормальные условия эксплуатации в помещениях верхних этажей высотных зданий. Воздействие ветрового потока на конструкцию может привести к развитию аэродинамических неустойчивых колебаний, таких как ветровой резонанс и др.
Пример 3. Ветровые генераторы. Плоскость лопастей ветровой турбины генераторов с горизонтальной осью должна быть перпендикулярной направлению ветра.
Цель исследования заключается в оценке влияние характера подстилающей поверхности на изменение направления ветра с высотой в пограничном слое атмосферы.
Результаты влияния рельефа на направление ветра можно получить при зондировании атмосферы. На основе данных уже можно предположить имеется влияние ветра или нет. Из-за силы трения направление ветра может отклоняться в среднем на 30% от основного потока. Также при трении скорость ветра будет гораздо меньше, чем у основного потока, на который поверхность оказывает меньшее влияние.
В исследовании задействованы два населенных пункта: Санкт- Петербург и Петрозаводск. Города находятся на отдалении 300 км, что дает понимание, что города находятся в одной синоптической ситуации. Изучено расположение метеорологических станций, формы рельефа, растительность, наличие близ простирающихся водоемов, основной поток воздушных масс и рельеф городской застройки.
В ходе работы выпалена обработка данных зондирования атмосферы. Проведено интерполирование на высоты кратные 100 метрам для значений направления и скорости ветра. Сделано для удобства и возможности провести исследования влияния рельефа и сравнения значений между населенными пунктами. Построены графики направления ветра на высотах для каждого срока зондирования в двух населенных пунктов.
Посчитана повторяемость направлений ветра кратным 10о для высот 100, 200, 300, 400, 500 метров и в слоях от 500 до 1000 и от 1000 до 1500 метров. По данным повторяемости для каждого населенного пункта построены розы ветров и проведен анализ. Основными потоками для Санкт- Петербурга южные, юго-западные и западные ветра, а также преобладают северо-западное направление ветра. Для города Петрозаводск основное направление ветра юго-западное и западное.
Проведена корреляция для определения количества хорошей (выше 0,9) связи коэффициентов корреляции между сроками. Наибольшее количество таких связей зафиксировано в Петрозаводске превышаю почти в два раза, чем для Санкт-Петербурга. Затем выбраны сроки, в которые количество связей было наибольшим. Следовательно, этот срок является «типичным» распределением направления ветра с высотой. Сделана аппроксимация «типичного» профиля, построена линия тренда для наибольшего коэффициента детерминации и получено уравнение, по которому можно высчитать направление ветра на высоте, затем найдено среднее квадратичное отклонение.
Проведен анализ изменения направления ветра и скрости на малых высотах. По котороым можно понять, что влияние рельефа происходило около трети сроков. Когда с резким изменением направлением ветра и дальнейшей нормализацией изменения направления ветра с высотой скорость ветра резко увеличивалась, а затем пстепенно и не сильно с набором высоты поднималась.
