Потоки скрытого и явного тепла на участках стационара «Васюганье»
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 6
1. Основы измерения и определения тепловых потоков 8
1.1 Уравнение теплового баланса 8
1.2 Определение понятия «скрытое и явное тепло» 9
1.3 Измерение и определение потоков тепла 10
2. Материал и методы исследования 14
2.1 Описание района исследования 14
2.2 Технические характеристики измерителя-регистратора (логгер) 15 EClerk-M-RHT
2.3 Расчет потоков явного и скрытого тепла 17
3. Анализ сезонной и суточной динамики потоков скрытого и явного 19 тепла на участках стационара «Васюганье»
3.1 Сезонные вариации потоков явного и скрытого тепла 19
3.2 Взаимосвязь потоков тепла с метеорологическими элементами и 30 погодными явлениями
3.3 Изменчивость потоков скрытого и явного тепла во время 36
прохождения грозы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 45
ПРИЛОЖЕНИЕ А 48
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 50
ВВЕДЕНИЕ 6
1. Основы измерения и определения тепловых потоков 8
1.1 Уравнение теплового баланса 8
1.2 Определение понятия «скрытое и явное тепло» 9
1.3 Измерение и определение потоков тепла 10
2. Материал и методы исследования 14
2.1 Описание района исследования 14
2.2 Технические характеристики измерителя-регистратора (логгер) 15 EClerk-M-RHT
2.3 Расчет потоков явного и скрытого тепла 17
3. Анализ сезонной и суточной динамики потоков скрытого и явного 19 тепла на участках стационара «Васюганье»
3.1 Сезонные вариации потоков явного и скрытого тепла 19
3.2 Взаимосвязь потоков тепла с метеорологическими элементами и 30 погодными явлениями
3.3 Изменчивость потоков скрытого и явного тепла во время 36
прохождения грозы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 45
ПРИЛОЖЕНИЕ А 48
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 50
Потоки скрытого и явного тепла являются ключевыми компонентами теплового баланса Земли. Изучение этих потоков позволяет понять, как распределяется тепло между различными частями атмосферы, океана и земной поверхности. Потоки тепла имеют прямое влияние на климатические условия. Изменения в потоках скрытого и явного тепла могут приводить к изменениям в погоде, климате и циркуляции атмосферы. Потоки тепла играют важную роль в формировании погодных явлений, таких как циклоны, антициклоны, грозы и туманы. Изучение этих потоков помогает предсказывать и понимать развитие различных погодных условий.
Теплобалансовые наблюдения представляют собой важнейший источник данных для расчетов турбулентных потоков тепла и влаги в приземном слое атмосферы. Эти наблюдения могут быть организованы с помощью методического руководства и широко применяются в стационарных и экспедиционных исследованиях взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью [1].
Развитие и усовершенствование методов прогноза погоды, проблема преобразования климата и решение ряда других прикладных задач метеорологии обусловливают необходимость дополнить существующий комплекс метеорологических наблюдений на станциях определениями вертикальных градиентов основных метеорологических элементов в приземном слое атмосферы и составляющих теплового баланса деятельной поверхности [2].
Таким образом, актуальность работы заключается в альтернативном способе определения потоков скрытого и явного тепла, так как сеть теплобалансовых наблюдений мала и не покрывает всю территорию страны в нужном объеме.
Важным этапом является апробация измерений прибора - логгера EClerk-M-RHT, который предназначен для измерения и регистрации данных температуры, влажности, давления по времени с последующей обработкой полученной информации на компьютере.
Цель исследования заключается в оценке потоков скрытого и явного тепла на различных открытых ландшафтах южной тайги Западной Сибири в период вегетации.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. Изучить литературу на заданную тему и подготовить библиографический обзор.
2. Составить физико-географическое описание территории исследования.
3. Построить карту местности и пунктов измерения с помощью средств ГИС.
4. Определить турбулентные потоки явного тепла (H) и скрытого тепла (LE) над заболоченной и незаболоченной местностью в теплый сезон 2022 года.
5. Проанализировать ход потоков явного и скрытого тепла за каждый месяц; оценить статистические параметры потоков тепла для каждого пункта наблюдения и выявить различия между ними.
6. Проанализировать взаимосвязь между потоками тепла и метеорологическими условиями (классы погоды) с применением описательной статистики.
Информационной базой послужила современная научная и периодическая литература. Методологическую основу написания работы составляют сравнительно - сопоставительный, логический, статистические методы, средства ГИС-технологий, а также методы обобщения и анализа. Теоретической основой написания курсовой исследовательской работы послужили: научная литература и статьи, электронные ресурсы (интернет), периодические издания литературных источников. Объем и структура данной курсовой работы определены логикой системного исследования и характером изучаемых в нем проблем. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы (источников) и приложения. Объём работы - 55 стр.
Теплобалансовые наблюдения представляют собой важнейший источник данных для расчетов турбулентных потоков тепла и влаги в приземном слое атмосферы. Эти наблюдения могут быть организованы с помощью методического руководства и широко применяются в стационарных и экспедиционных исследованиях взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью [1].
Развитие и усовершенствование методов прогноза погоды, проблема преобразования климата и решение ряда других прикладных задач метеорологии обусловливают необходимость дополнить существующий комплекс метеорологических наблюдений на станциях определениями вертикальных градиентов основных метеорологических элементов в приземном слое атмосферы и составляющих теплового баланса деятельной поверхности [2].
Таким образом, актуальность работы заключается в альтернативном способе определения потоков скрытого и явного тепла, так как сеть теплобалансовых наблюдений мала и не покрывает всю территорию страны в нужном объеме.
Важным этапом является апробация измерений прибора - логгера EClerk-M-RHT, который предназначен для измерения и регистрации данных температуры, влажности, давления по времени с последующей обработкой полученной информации на компьютере.
Цель исследования заключается в оценке потоков скрытого и явного тепла на различных открытых ландшафтах южной тайги Западной Сибири в период вегетации.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. Изучить литературу на заданную тему и подготовить библиографический обзор.
2. Составить физико-географическое описание территории исследования.
3. Построить карту местности и пунктов измерения с помощью средств ГИС.
4. Определить турбулентные потоки явного тепла (H) и скрытого тепла (LE) над заболоченной и незаболоченной местностью в теплый сезон 2022 года.
5. Проанализировать ход потоков явного и скрытого тепла за каждый месяц; оценить статистические параметры потоков тепла для каждого пункта наблюдения и выявить различия между ними.
6. Проанализировать взаимосвязь между потоками тепла и метеорологическими условиями (классы погоды) с применением описательной статистики.
Информационной базой послужила современная научная и периодическая литература. Методологическую основу написания работы составляют сравнительно - сопоставительный, логический, статистические методы, средства ГИС-технологий, а также методы обобщения и анализа. Теоретической основой написания курсовой исследовательской работы послужили: научная литература и статьи, электронные ресурсы (интернет), периодические издания литературных источников. Объем и структура данной курсовой работы определены логикой системного исследования и характером изучаемых в нем проблем. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы (источников) и приложения. Объём работы - 55 стр.
В ходе выполненной работы была проведена визуальная оценка качества измерений логгером температуры воздуха, давления и относительной влажности на двух уровнях 0,5 и 2,0 м за теплый период 2022 г. для пунктов «Полынянка» и «Болото». Составлено описание территории исследования и представлено расположение пунктов измерения в ГИС-картированном виде. На основе измеренных данных логгером EClerk-M-RHT были рассчитаны значения плотности воздуха, газовой постоянной для влажного воздуха, удельной влажности, парциального давления водяного пара, скрытой теплоты испарения, коэффициентов передачи явного и скрытого и непосредственно рассчитаны значения потоков явного и скрытого тепла.
Расчет значений потоков явного и скрытого тепла был проведен с интервалом 10 минут. Были построены графики хода изменения значений микроклиматических параметров за каждый месяц (июнь-сентябрь) и потоков скрытого и явного тепла. Зарегистрированные атмосферные явления и элементы (облачность) были разделены на четыре класса. Для детального рассмотрения полученных результатов были проанализированы вариации потоков явного скрытого тепла за каждый месяц, в каждой декаде июля и в отдельный день с грозой (28 июля).
В результате анализа получены следующие результаты:
Данные о потоке явной теплоты на пунктах измерения «Полынянка» и «Болото» за период с июня по сентябрь показывают значительную изменчивость; как средних («Полынянка» от -103,8 до -2360, «Болото» от 42,7 до -550,9 Вт/м2), так и экстремальных значений (минимальные - «Полынянка» от -3254,5 до -25909,6 «Болото» от -1830,6 до - 12518,8Вт/м2; максимальные - «Полынянка» от 3651,8 до 28596,9 «Болото» от 2072,2,6 до 8963,7 Вт/м2). Эти данные указывают на прогрев поверхности в июне и июле, охлаждение в августе и сентябре и разницу в потоке явной теплоты между двумя пунктами измерения, которая варьируется в зависимости от месяца. Также наблюдается разница в потоках явного и скрытого тепла между двумя пунктами измерения, которая варьируется в зависимости от месяца.
Отдельно стоит отметить, что в сентябре наблюдается пять дней, когда температура воздуха в ночное время близка к 0 °C и переходит через ноль, что отражается на значениях потоков явной и скрытой теплоты и проявляется в значительной вариабельности по сравнению с летними месяцами.
Анализ графиков потоков явного и скрытого тепла и микроклиматических параметров суточного хода показал, что классы погоды «Гроза» и «Дождь», а также «Тихая погода» и «Ясная погода» имеют схожие паттерны изменений. Обнаружены характерные изменения потоков на графиках для каждого класса, которые необходимо подтвердить в дальнейших исследованиях с новым набором измеренных метеорологических характеристик и рассчитанных величин. Кроме того, для повышения точности расчетов в слое до 2 метров требуются непрерывные измерения скорости ветра.
Диапазон изменения потоков явного тепла в классе «Гроза» в июле: от -711,6 до 665,9 Вт/м2, в классе «Дождь»: от -502,6 до 146,5 Вт/м2. Диапазон изменения потоков скрытого тепла в классе «Гроза» в июле: от 100,7 до 1279,8 Вт/м2, в классе «Дождь»: от 83,0 до 634,9 Вт/м2. Графики хода потоков явного и скрытого тепла демонстрируют, что при 43
прохождении гроз и осадков происходит меньший разброс значений. Причиной этому является наличие облачности, изменение влажности, теплоотдача от дождя.
Диапазон изменения потоков явного тепла в классе «Тихая погода» в июле: от -5386,5 до -454,2 Вт/м2, в классе «Ясная погода»: от -3385,3 до 738,0Вт/м2. Диапазон изменения потоков скрытого тепла в классе «Тихая погода» в июле: от -4350,0 до 325,5 Вт/м2, в классе «Ясная погода»: от -3752,3до 1130,7 Вт/м2. Ход значений потоков явного и скрытого в классе «Ясная погода» становится более выраженным, ввиду влияния солнечной радиации, излучения подстилающей поверхности и циркуляции воздуха между приземным слоем и атмосферой.
При прохождении грозы 28 июля 2022 г. над пунктами измерений получено, что максимальные значения потоков явного и скрытого тепла на уровне 2,0 м наступают в послеполуденное время дня (в 13:20 и 17:40 для «Полынянка» и в 12:10 и 14:00 для «Болото»). Минимальные значения потоков скрытого и явного тепла на обоих пунктах отмечаются в предрассветные часы. Среднемесячные значения потоков явного и скрытого тепла во время прохождения грозы составляют -153,2 Вт/м2 и 99,2 Вт/м2 на пункте «Полынянка» и 26,3 Вт/м2 и 247,1 Вт/м2 на пункте «Болото» соответственно.
Расчет значений потоков явного и скрытого тепла был проведен с интервалом 10 минут. Были построены графики хода изменения значений микроклиматических параметров за каждый месяц (июнь-сентябрь) и потоков скрытого и явного тепла. Зарегистрированные атмосферные явления и элементы (облачность) были разделены на четыре класса. Для детального рассмотрения полученных результатов были проанализированы вариации потоков явного скрытого тепла за каждый месяц, в каждой декаде июля и в отдельный день с грозой (28 июля).
В результате анализа получены следующие результаты:
Данные о потоке явной теплоты на пунктах измерения «Полынянка» и «Болото» за период с июня по сентябрь показывают значительную изменчивость; как средних («Полынянка» от -103,8 до -2360, «Болото» от 42,7 до -550,9 Вт/м2), так и экстремальных значений (минимальные - «Полынянка» от -3254,5 до -25909,6 «Болото» от -1830,6 до - 12518,8Вт/м2; максимальные - «Полынянка» от 3651,8 до 28596,9 «Болото» от 2072,2,6 до 8963,7 Вт/м2). Эти данные указывают на прогрев поверхности в июне и июле, охлаждение в августе и сентябре и разницу в потоке явной теплоты между двумя пунктами измерения, которая варьируется в зависимости от месяца. Также наблюдается разница в потоках явного и скрытого тепла между двумя пунктами измерения, которая варьируется в зависимости от месяца.
Отдельно стоит отметить, что в сентябре наблюдается пять дней, когда температура воздуха в ночное время близка к 0 °C и переходит через ноль, что отражается на значениях потоков явной и скрытой теплоты и проявляется в значительной вариабельности по сравнению с летними месяцами.
Анализ графиков потоков явного и скрытого тепла и микроклиматических параметров суточного хода показал, что классы погоды «Гроза» и «Дождь», а также «Тихая погода» и «Ясная погода» имеют схожие паттерны изменений. Обнаружены характерные изменения потоков на графиках для каждого класса, которые необходимо подтвердить в дальнейших исследованиях с новым набором измеренных метеорологических характеристик и рассчитанных величин. Кроме того, для повышения точности расчетов в слое до 2 метров требуются непрерывные измерения скорости ветра.
Диапазон изменения потоков явного тепла в классе «Гроза» в июле: от -711,6 до 665,9 Вт/м2, в классе «Дождь»: от -502,6 до 146,5 Вт/м2. Диапазон изменения потоков скрытого тепла в классе «Гроза» в июле: от 100,7 до 1279,8 Вт/м2, в классе «Дождь»: от 83,0 до 634,9 Вт/м2. Графики хода потоков явного и скрытого тепла демонстрируют, что при 43
прохождении гроз и осадков происходит меньший разброс значений. Причиной этому является наличие облачности, изменение влажности, теплоотдача от дождя.
Диапазон изменения потоков явного тепла в классе «Тихая погода» в июле: от -5386,5 до -454,2 Вт/м2, в классе «Ясная погода»: от -3385,3 до 738,0Вт/м2. Диапазон изменения потоков скрытого тепла в классе «Тихая погода» в июле: от -4350,0 до 325,5 Вт/м2, в классе «Ясная погода»: от -3752,3до 1130,7 Вт/м2. Ход значений потоков явного и скрытого в классе «Ясная погода» становится более выраженным, ввиду влияния солнечной радиации, излучения подстилающей поверхности и циркуляции воздуха между приземным слоем и атмосферой.
При прохождении грозы 28 июля 2022 г. над пунктами измерений получено, что максимальные значения потоков явного и скрытого тепла на уровне 2,0 м наступают в послеполуденное время дня (в 13:20 и 17:40 для «Полынянка» и в 12:10 и 14:00 для «Болото»). Минимальные значения потоков скрытого и явного тепла на обоих пунктах отмечаются в предрассветные часы. Среднемесячные значения потоков явного и скрытого тепла во время прохождения грозы составляют -153,2 Вт/м2 и 99,2 Вт/м2 на пункте «Полынянка» и 26,3 Вт/м2 и 247,1 Вт/м2 на пункте «Болото» соответственно.
