ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Білий Тарас Анатолійович

УДК 551.510.522:551.511.32

ТУРБУЛЕНТНО-ВІТРОВИЙ РЕЖИМ В ГРАНИЧНОМУ ШАРІ АТМОСФЕРИ ПІВДЕННОГО ПРИМОРСЬКОГО МІСТА

11.00.09 – метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Одеса-2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному екологічному

університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор географічних наук, професор

Тарнопольський Анатолій Григорович,

Одеський державний екологічний університет,

завідувач кафедри геофізичної гідродинаміки

та теорії клімату

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Єфімов Владіслав Анатолійович,

Одеський державний екологічний університет,

професор кафедри теоретичної

метеорології та метеорологічних прогнозів

кандидат географічних наук,

Данов Євген Іванович,

Одеська воєнізована

служба з активних впливів на

гідрометеорологічні процеси, начальник

Провідна установа:

Український науково-дослідний

гідрометеорологічний інститут,

відділ фізики хмар, Міністерства екології

та природних ресурсів України (м. Київ).

Захист відбудеться “14” “листопада” 2002р. о 1000 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 41.090. 01 в Одеському державному екологічному

університеті за адресою: 65016, м.Одеса-16, вул. Львівська 15, ОДЕКУ.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського державного

екологічного університету за адресою: 65016, м. Одеса-16, вул. Львівська 15,

ОДЕКУ.

Автореферат розісланий 10 жовтня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лобода Н. С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми визначається практичною значущістю якісного стану повітряного басейну над міською забудовою та рекреаційною зоною, котра прилягає до неї. Особливо важливо це для курортних міст в значенні комфортності клімату по чистоті оточуючого їх повітря і ландшафтів, які стикаються і взаємодіють з ним. В приморських районах південного пояса зниження повітряної вентиляції курортної території можливе, як внаслідок відсутності повітряного обміну між береговою зоною і морською акваторією, так і через нагромадження перегрітих вологих і запилених повітряних мас в нижньому шарі атмосфери.

Для визначення здатності будь-якого міста до вентиляції виникає проблема розрахунку горизонтальних вітрових течій в межах міської забудови. Ці течії формуються в турбулентному середовищі під впливом виникаючих в ньому цілеспрямованих механізмів, що орієнтують вітрові потоки в межах міста. В основному при вивченні турбулентності в граничному шарі повітря наукові дослідження торкались визначення вертикального профілю коефіцієнта турбулентності, в той час як особливу значущість в даному випадку набувають турбулентні вихорі, котрі формуються при обтіканні неоднорідностей міської забудови вітровим переносом. Теорія турбулентності для мезомасштабних горизонтально орієнтованих вихорів до теперішнього часу не має серйозного обгрунтування, тому що у всіх дослідженнях з граничного шару атмосфери основну увагу приділено ізотропній по горизонталі турбулентності, яка має властивість міняти свої параметри по вертикалі і в часі. Тому праці, присвячені неізотропній по горизонталі турбулентності і її властивостям створювати в своєму середовищі зони ламінарних течій, є актуальними для вирішення перелічених вище проблем.

При поєднанні курортних зон з великою територією міської забудови, як це відбувається на прикладі Одеси, можливий ефект переважаючого впливу міської запорошеності, транспортного задимлення тощо на прилеглі до міста рекреаційні зони. Дослідження цього питання має важливе значення, тому що санітарно-оздоровчі комплекси повинні розташовуватись в тій частині міської території, де вплив техногенних вторгнень буде мінімальним. Звичайно курортно-оздоровчий комплекс не співвідноситься з великими територіями міської забудови, але в умовах Одеси це відбувається і дає свої переваги можливості розумного співвідношення курортних комплексів з можливостями урбанізації.

Проблемі чистоти повітряних басейнів над промисловими центрами присвячена велика кількість наукових праць. Запропоновані підходи, які стосуються ситуації в приморському місті на прикладі Одеси, можуть бути також застосовані і для інших міст, в яких існує можливість повітрообміну між містом і прилеглою територією. У всіх випадках проблема торкається вітрового переносу, який формується в турбулентних потоках.

Основне положення цієї роботи заключається в можливості визначення стану переходу турбулентного змішування в стан детермінованих ламінарних течій. Такого роду задач теорії атмосферної турбулентності ще не розглядалось. В даному випадку вони повинні бути доповнені рішенням питань ентропійної організації невпорядкованих рухів під впливом означеним образом орієнтованих ландшафтних особливостей. Тобто конкретні географічні особливості вносять в однорідну турбулентність фактор орієнтації і тому є основою для перегляду моделей атмосферної турбулентності на урахування географічного фактору не інтегрально, а з введенням обширного комплексу його прояву.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що виконані в дисертації, доповнюють і розвивають науковий напрямок кафедри геофізичної гідродинаміки та теорії клімату, пов'язаний з кількісним описом структури геофізичного граничного шару, а саме з науковими роботами кафедри:

а) “Мезомасштабна структура нижнього шару атмосфери та розповсюдження забруднюючих речовин над територією України”. Виконується на підставі рішення Вченої ради Одеського гідрометеорологічного інституту (протокол №2 від 24 лютого 2000 р.);

б) “Теоретичні дослідження геофізичного примежового шару для обґрунтування екологічного моніторингу природних середовищ” № ДР 0100 U000913.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка нових методів для моделі неізотропної по горизонталі турбулентності, які здатні відповідати географічним ландшафтам, що існують в кожному окремому випадку та урахувати їх горизонтальну неізотропність.

Головна задача даної моделі турбулентності полягає у можливості визначення механізму перемішування в стан детермінованих ламінарних течій. Тобто конкретні географічні особливості вносять в однорідну турбулентність фактор орієнтації і тому є основою для перегляду моделей атмосферної турбулентності з точки зору урахування географічного фактора не інтегрально, а з введенням великого комплексу його прояву.

Об'єкт дослідження – турбулентно-вітровий режим граничного щару атмосфери приморського міста, на прикладі м. Одеса.

Предмет дослідження – полягає у новому підході до побудування закономірностей турбулентно-вітрового режиму граничного шару атмосфери приморського міста на базі теорії неізотропної турбулентності. Враховуються географічні особливості об'єкту дослідження (міста) для неізотропної по горизонталі турбулентності, з'ясовується і прослідковується деформація течії в полі неізотропної турбулентності.

Методи дослідження:

- математичне моделювання неізотропної турбулентності в атмосферному повітрі з урахуванням географічних особливостей на базі методів нерівноважної термодинаміки.

- побудова і аналіз механізму створення найменшої деформації повітряного середовища під впливом зовнішнього потоку і географічного оточення, необхідної для створення цілеспрямованої деформації течії в полі неізотропної турбулентності, яка створює основний перенос в зонах техногенної забудови.

На основі вище переліченого дисертантом на прикладі м. Одеса розроблено алгоритм розрахунку вітрових потоків у межах міської забудови та оточуючої її рекреаційної зони.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі вперше для оцінки якісного стану повітряного басейну над міською забудовою та рекреаційною зоною особисто автором вирішені такі задачі:

- отримані кількісні характеристики неоднорідної мезомасштабної турбулентності в неізотропному середовищі для районів з неоднорідною підстильною поверхнею.

- виконано опис організації турбулентних вихорів в можливі ламінарні течії, які формуються під впливом географічного фактору;

- установлені закономірності створення цілеспрямованої деформації течії в полі неізотропної турбулентності на основі нерівноважної термодинаміки;

- обчислено можливі зміни вітрових потоків в межах міської забудови і оточуючої її рекреаційної зони на прикладі м. Одеса.

Практичне значення одержаних результатів визначається у можливості застосування отриманих результатів дослідження при плануванні розміщення промислових об'єктів, районів розташування житлових масивів та курортно-лікувальних комплексів на території великого промислового міста, а також при рішенні задач захисту повітряного середовища від забруднення.

Особистий внесок здобувача полягає у застосуванні математичного апарату для опису формування турбулентних вихорів в можливі ламінарні течії, які формуються під впливом географічного фактору, а також в розробці моделі неізотропної турбулентності та її апробації на прикладі розрахунку характеристик вентиляції м. Одеси.

Апробація результатів диссертації проведена за допомогою чисельних експериментів, верифікація котрих, забезпечується достовірністю матеріалів стандартної мережі вимірювань гідрометеорологічних характеристик, застосуванням математичного апарату, розробленого автором, на основі нерівноважної термодинаміки, задовільним збігом результатів розрахованих характеристик з фактичними даними.

Основні результати роботи доповідалися на конференції молодих вчених ОГМІ (2000 р.), конференції молодих вчених ОДЕКУ (2002 р.), а в повному обсязі – на розширеному науковому семінарі кафедри геофізичної гідродинаміки та теорії клімату у травні 2002 р.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 4-х наукових статтях (три з них – без співавторів) у виданнях, що входять до відповідного переліку ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Повний обсяг дисертаційної роботи становить 134 сторіноки машинописного тексту, містить 33 рисунка, 5 таблиць, складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел (97 найменувань).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, формулюється мета та задачі дослідження, наводиться наукова новизна та практичне значення основних результатів, викладаються основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі розглядаються принципи моделювання граничного шару атмосфери, і існуючих в ньому турбулентних потоків, які в основному не враховують горизонтальні неоднорідності рельєфу та теплової структури підстильної поверхні. Такі моделі не описують структуру турбулентних вихорів та генезис турбулентності від ламінарного потоку. У межах дії техногенних об'єктів введення неоднорідностей горизонтальних структур істотно визначає властивості турбулентного режиму. Техногенні неоднорідності настільки відрізняються від природно-існуючих неоднорідностей, що їх треба розглядати окремо для вивчення режиму турбулентного обміну.

У вказаному потоці з'являються невпорядковані вихори, розмір яких певним чином пов'язаний з розміром геометричних та теплових неоднорідностей, що спричинені контурами забудови. Ці неупорядковані вихорі викликають деякі деформації всередені ламінарного вітрового потоку. Але будь-яка деформація в суцільному середовищі може бути задана у вигляді зміщеної деформації і оберту. При цьому зміщена (чиста) деформація створює еліпсоїд деформації з трьома осями. Таким чином, утворені турбулентні вихори мають еліпсоїдальну форму і нахил головних осей цих еліпсоїдів до підстильної поверхні може бути різним у кожного турбулентного вихору. В початковій стадії турбулізації ламінарного потоку, котрий обтікає міську забудову, створюються великі еліпсоїдальні вихореві утворення рівні за своїми розмірами обтікаючим неоднорідностям міської забудови. Якщо розглядати обтікання конкретних неоднорідностей забудови ламінарним потоком, то орієнтація головних осей еліпсоїдів деформації буде додержуватися контурів обтікаючих об'єктів, повторюючи їхню конфігурацію. З іншого боку, ці еліпсоїди є початком турбулізації ламінарного потоку, але в цьому випадку осі еліпсоїдів деформації розташовані не хаотично, а упорядковано. Вітровий потік, що набігає з кожним попереднім часовим інтервалом, утворює все нові детерміновано орієнтовані у просторі еліпсоїди деформації, які слід назвати турбулентними доменами. При взаємодії з іншими доменами сусідніх об'єктів міської забудови в цілому одержується стохастичний режим розташування вихоревих елементів турбулентності елепсовидної форми. І в цьому випадку настає класичний турбулентний режим. Еліпсоїди турбулентності, що перевищують за величиною розмір неоднорідностей міської забудови, можуть розташовуватися або в розмірах площ забудови, або підніматися наверх, і входити в турбулентні режими хмарних систем. Турбулентні домени, що створюються у приземному шарі в хмарній атмосфері, переходять у макродомени конвективних терміків.

Еліпсоїди турбулентної деформації, що відриваються з приземного шару в зону, яку займає макродомен, входять всередену еліпсоїдів макродомена, бо в прискорених вітрових потоках граничного шару еліпсоїди пристіночної турбулентності можуть незалежно існувати лише всередені великих турбулентних вихорів макродомена. Потім докладно розглянуто турбулентний режим взаємодії макродоменів техногенної турбулентності з турбулентними і ламінарними потоками в циркуляційних системах, що утворюються над південними приморськими районами.

У другому розділі розглядається вивчення механіки турбулентних потоків в географічному ареалі міста Одеси. Розглянуті моделі опису розвитку техногенних терміків над міською забудовою при наявності в її окраїні відкритих водоймищ.

Основним рівнянням для розрахунку інтенсивності випарування буде рівняння теплового балансу:

(1)

де S – сонячна радіація, що падає на підстильну поверхню; A – альбедо поверхні води, яке залежить від кута нахилу Сонця; (1-A)S – поглинена сонячна радіація; - потік довгохвильової радіації, направлений вниз; - потік довгохвильової радіації, направлений вверх і дорівнює ; - питома теплоємність, - температура повітря, - температура водної поверхні; - турбулентний потік тепла до атмосфери; - потік схованого тепла до атмосфери; - тепло танення льоду або снігу; L – сховане тепло конденсації; F – потік тепла з глибини до водної поверхні. Тоді:

(2)

де - коефіцієнт опору; - рівень всередені приземного шару;

; - потенційна температура повітря, - потоки тепла і вологи відповідно; - шорсткість; - насичуюче відношення суміші водяної пари; - параметр зволоження, що характеризує ступінь випаровуваності з водної поверхні, пов'язану з її євтрофіруванням і засоленістю поверхового водного шару; Через відсутність точних даних про численні значення параметрів, що входять в формули (1)-(2), їхні величини задавались в розрахунку таким чином, щоб отримані дані про вертикальні потоки вологи відповідали можливості достатнього насичення нею підінверсійного шару, котрий може бути параметризований рівняннями:

(3)

де E - втікання, D - витікання, - вертикальний потік маси повітря в хмарі ( - середня за перерізом вертикальна швидкість в і – тій хмарі, - площа горизонтального перерізу і - ої хмари); - середньозважені значення вертикальної швидкості, статичної енергії і відношення суміші водневого пару в оточуючому хмару повітрі; - середні значення статичної енергії та відношення суміші водневого пару в оточуючому хмару повітрі, - щільність повітря; с – кількість сконденсованої вологи.

Надаються результати рішення зворотньої задачі, що дозволяє визначити ту необхідну величину випаровування з поверхні Куяльницького і Хаджибейського лиманів, яка буде достатньою для утворення осередків Бенара закритого типу над прибережною частиною акваторії. Далі зроблено висновок, що техногенні терміки, які утворюються над зоною міської забудови, є джерелом турбулізації атмосфери над містом, а також основою для підсилення бризової інверсії над прилеглою морською акваторією. В підінверсійному шарі накопичується волога, достатня для виявлення процесів вологої конвекції над інверсією. Для розвитку посиленої конвекції в умовах бризової циркуляції необхідно наявність поблизу техногенної області випаровуючих поверхонь, якими в умовах м. Одеси можуть бути водні дзеркала Куяльницького і Хаджибейського лиманів. Турбулізована атмосфера над містом згідна створювати упорядковані динамічні процеси над прилеглою акваторією під впливом схованої енергії конденсації вологи, яка накопичилась в підінверсійному шарі. За межами техногенних зон бризова інверсія зберігається, але в дещо слабшому варіанті. Техногенні термікі сприяють утворенню нічних гроз і, як наслідок, посиленню вентиляції повітряного басейну над містом. Площа випаровуючого дзеркала для досягнення посиленої конвекції повинна бути порівняльною з площею, котру займає осередок Бенара закритого типу. Техногенні терміки посилюють бризову циркуляцію, але при цьому вітрові переноси набувають додаткові складові, паралельні береговій смузі.

У третьому розділі стверджується основна позиція щодо того, що вітер вільної атмосфери, переборюючи турбулентні завихорення граничного шару і формуючи основний потік, повинен вибирати найкоротший напрямок між двома точками, розташованими в зонах переважаючої геострофічності. При цьому по вертикальній координаті геострофічність узгоджується співвідношеннями термічного вітру. Тому співвідношення геострофічності задовольняють лінії найкоротшої відстані (геодезичної кривої) між зонами переважаючої геострофічності.

Формула геодезичної кривої, що визначає найкоротшій напрямок на викривленій поверхні граничного шару атмосфери, сформованого над міською забудовою, виводиться на основі варіаційно-тензорного обчислення. В геометрії Римана поверхню граничного шару атмосфери визначають компоненти її метричного тензора, що зв'язаний з тензором деформації вітрових переносів в контурах техногенної забудови, котрі можуть бути розраховани за правилами мінімізації функціонала:

(4)

де - елемент дуги на геодезичній кривій.

Рівняння Ейлера-Ланранжа для мінімізації функціонала:

(5)

, (6)

де - зветься варіацією елемента ; і

. (7)

В підсумку подальших перетворень отримаємо рівняння геодезичної кривої:

(8)

де - є символ Кристоффеля першого роду, що включає набори варіацій і лежить в основі операцій диференціювання тензорів. Якщо замість параметра взяти довжину геодезичної , то останній член в рівнянні (8) зникає і координати геодезичної разраховуються з допомогою рівняння:

(9)

де - індекс Кристоффеля другого роду; - контраваріантний метричний тензор. На сфері: і координати геодезичної по рівнянню (9) разраховуються вздовж її довжини згідно символам Кристоффеля, які визначають метрику Риманового простору. Ясно, що метричні тензори в символах Кристоффеля слід виводити на автомодельній основі з тензора Рейнольдсових напруг:

(10)

Важливе значення має те, що для контролю отриманих компонент метричного тензора слід здійснювати розрахунок компонент тензора Римана-Кристоффеля:

(11)

де індекси і введені для завдання повтору підсумовуванням. Цей тензор називається тензором кривизни, оскільки у випадку Евклідового простору тензор кривизни дорівнює нулю.

Вітрові переноси, що спрямовані в область низького тиску і діють під впливом сили Коріоліса, знаходяться згідно принципу найменшої дії, яка забезпечує найкоротшій шлях в обхід усіх перелічених перешкод.

Накладені геометричні перешкоди від контурів техногенної забудови і конвективних терміків істотно викривляють картину вітрів бризової циркуляції, а також розподіл вітрів від текучого синоптичного процесу так, що загальна картина вітрів над містом та його окраїнами змінюється істотним образом, і саме вона характеризує собою здатність міста до вентиляції його повітряного басейну.

В четвертому розділі наведені результати розрахунків вітрового режиму над центральною частиною міста Одеси, що супроводжуються результатами вимірювань температурних і вітрових характеристик над містом, по яким можна скласти вихідний макет початкової інформації для проведення розрахунків вітрового режиму над містом Одеса.

При висотних забудовах природне збільшення вітру з висотою призводить до утворення особливого термічного режиму, котрий веде до аерації споруд з віддачею тепла в приземний шар повітря. Це створює додаткові умови для підтримки розвитку техногенних терміків. Але в умовах Причорномор'я в літній період віддача тепла з внутрішньої області техногенної забудови малоймовірна, оскільки температура зовнішнього повітря звичайно перевищує внутрішні температури. Але радіаційне нагрівання контурів забудови в літній час може на декілька десятків градусів перевищувати температуру навколишнього повітря і тим самим створювати умову для появи техногенних терміків з вертикальною “підошвою”. Вздовж міських проспектів утворюється тепловий тунель, на основі якого можуть формуватись осередки техногенних терміків, що повторюють обриси міської забудови. Але міжпроспектний простір в умовах центру м. Одеси заповнений в основному теж забудовою з малою внутрішньою парковою зоною. Тому роль теплових тунелів-проспектів в м. Одесі в основному затушовується міжквартальною забудовою. Тоді теплові техногенні терміки міста формуються в горизонтальних масштабах мікрорайонів, які як раз співпадають по площі з площею основи терміка. Однак такі проспекти, як вулиці Преображенська, Канатна, Балтівська, через їхнє мале озеленення все ж утворюють тунельний тепловий ефект, котрий варто враховувати при розрахунках вітрового режиму над містом Одесою. Все це створює умови для утворення турбулентного макродомена над центральною частиною Одеси. Він складається з лінійних комбінацій сухих терміків над проспектами і терміків більш крупної основи над міжквартальними просторами. Аналітичне уявлення макродомена може бути задано у вигляді точкових вихореджерел для міжквартальних терміків:

(12)

де - координати джерел і стоків, поєднаних в просторі; - кути, які дозволяють ввести напрямок орієнтації терміка (ось терміка від джерела до стоку).

Лінії менш сухих термиків, розміщені по прямій вздовж згаданих проспектів задаються вихоревим ланцюгом:

(13)

де - відстань між конвективними терміками, - координата центру лінії конвективних збуджень, - циркуляція навкруг терміка. Комплексна швидкість отримується просто розписуванням функції котангенса через його період з центром і лінійним розміром періоду . Тобто через інтервали з'являється вихороджерело. Друга форма запису через полюси у вигляді вихороджерел, котрі почалися від і розміщені через інтервал , буде:

(14)

Далі, використовуючи формули (11)-(14), а з ними рівняння (9), отримаємо результати розрахунку вітрових потоків над м. Одеса.

На рис.1 приведено один з результатів чисельних експериментів по розрахунку вітрових потоків над м. Одеса. Як бачимо з рис.1, на час нічного бризу прослідковується складна картина вітрів. Поява цих особливостей розподілу пояснюється компенсаційним ефектом, що створюється токами втягнення в конвективні термікі міжквартальної забудови.

Рис. 1 Розрахунок функції току вітрових потоків з урахуванням зформованого осередку Бенара над північною частиною акваторії поблизу ПМТ Південий і бризових вітрів на фоні теплової циркуляції в зоні міської забудови.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і здійснено нове вирішення наукової задачі, що полягає в розробці моделі неізотропної по горизонталі турбулентності на основі методів нерівноважної термодинаміки.

В результаті виконаної роботи можна зробити такі висновки:

1. В районах техногенної забудови виникає особливий вид турбулентного режиму, який названий доменами турбулентності. Він характеризується однаковою орієнтацією осей турбулентних вихорів, всередені яких виникають турбулентні утворення у вигляді еліпсоїдів деформації з хаотичною орієнтацією основних осей. Під дією місцевих вітрових потоків, наприклад бризів, макродомени техногенних терміків, зміщуючись в бік моря, вносять режим техногенної турбулентності в прилеглий шар повітря над акваторією і сприяють утворенню конвективного осередку Бенара.

2. Район розвитку техногенної турбулентності є джерелом макротурбулентних вихорів над морем, які надалі під впливом на них теплових потоків перетворюються в детермінірований режим конвекції над морем, виражений в утворенні над значно більш обширною територією осередків Бенара закритого типу. Такий процес названо режимом виродження турбулентності під впливом зовнішніх енергетичних потоків. При наявності можливості розвитку вологої конвекції, як над містом, так і над морем, процес, що описано, інтенсифікується і супроводжується посиленими місцевими вітрами, які суттєво відрізняються від звичайного режиму місцевих вітрів, переважаючих над сусідніми територіями, віддаленими від районів техногенної забудови.

3. Вітровий режим над містом складається із суми вітрів синоптичного процесу і місцевої циркуляції, на яку накладаються потоки вітрів втягнення в конвективні терміки та у підінверсійні струми. Всі ці вітри знаходяться під впливом місцевої орографії і контурів техногенної забудови, а також теплових контрастів підстильної поверхні. Все це разом створює багатофакторний режим розвитку вітрових потоків над містом.

4. Деформаційна картина скривлення вітрових потоків над містом може бути охарактеризована над досить великою територією одним тензором деформації, що локалізований у центрі техногенної забудови.

5. Накладені геометричні перепони суттєво деформують картину вітрів бризової циркуляції, а також і розподіл вітрів від текучого синоптичного процесу, так, що загальна картина вітрів над містом і його окраїнами суттєво змінюється, тобто вона відображає здатність міста до вентиляції його повітряного басейну.

6. Техногенний вплив міської забудови є як джерелом турбулентності, так і засобом для виродження турбулентності, що призводить до виникнення грозової конвекції, і тим самим, до посилення вентиляції повітряного басейну над містом та його окраїнами.

7. Метричний деформаційний тензор для можливості його застосування в операціях варіаційно-тензорного обчислення необхідно параметризувати аналітичним ансамблем, котрий має властивості аналітичності і неперервності по всій області рішення.

8. Найкращею параметризацією метричного тензора є лінійна на основі віток алгебраїчних функцій, що розташовані на різних рівнях по вертикальній координаті.

9. Вперше для розрахунку реальних вітрів над містом рекомендовано принцип найменшої дії, під впливом якого сумарний вітровий потік діє по найкоротшій відстані між пунктами з високим і низьким тиском, яке і вибирається з обходом всіх перелічених вище накладень.

10. Вітровий режим граничного шару атмосфери над малою територією не може задовольняти спіралі Екмана, якщо сума впливаючих на нього факторів істотно перевищує внесок відхиляючої сили оберту Землі. Спіраль Екмана більше відповідає граничному шару атмосфери, що формується лише під впливом крупномасштабних синоптичних процесів, в котрих серед діючих факторів сила Кориоліса грає вирішальну роль.

11. Вітровий режим, що складається над районами техногенної міської забудови, суттєво відрізняється від вітрового режиму окраїн в зв'язку з перевагою в його формуванні факторів техногенного походження. Локальні “міські” вітри звичайно мають стійкий за часом режим і змінюються лише при суттєвій зміні мікрометеорологічного режиму над містом, якій залежить в основному від сезону.

Підсумковий висновок дослідження полягає в тому, що розроблена на прикладі м. Одеса модель неізотропної по горизонталі турбулентності, і обчислені на її основі можливі зміни вітрових потоків в межах міської забудови і оточуючої її рекреаційної зони можуть бути використані при плануванні розміщення житлових масивів та курортно-лікувальних комплексів на території великого промислового міста, а також при рішенні задач захисту повітряного середовища від забруднення.

Список опублікованих наукових праць за темою дисертації:

1. Белый Т.А. Усовершенствованная экмановская модель атмосферного пограничного слоя // Метеорология, климатология и гидрология, 1999.- Вып.36.- С. 73-82.

2. Тарнопольский А.Г., Белый Т.А. Система экмановских пограничных слоев атмосферы и моря // Метеорологія, кліматологія та гідрологія, 2000.- Вип.41.- С. 107-117.

3. Белый Т.А. Тензор кривизны поверхности пограничного слоя атмосферы // Метеорологія, кліматологія та гідрологія, 2001.- Вип.43.- С. 20-26.

4. Белый Т.А. Горизонтальный турбулентный обмен в бризовой циркуляции // Метеорологія, кліматологія та гідрологія, 2001.- Вип.44.- С. 55-61.

АНОТАЦІЇ

Білий Т.А. “Турбулентно-вітровий режим в граничному шарі атмосфери південного приморського міста”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.09 – метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. – Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2002 .

Для розрахунку вентиляції міської забудови розглянуті механізми розвитку турбулентності в межах міської забудови. Введено поняття доменів турбулентності та їх зв'язок з конвективними терміками. Надано аналіз механізмів розвитку турбулентності в межах міста та його окраїн. Розглянуто зв'язок термічної конвекції з випаровуванням від внутрішніх водоймищ та з поверхні моря. Наведено докладний аналіз формування конвекції по Бенару та її взаємодії з бризовою циркуляцією. Введено принцип найменшої дії при розрахунках формування вітрового переносу в межах орографічних ландшафтів південних приморських міст. Отримані карти вітрових потоків на прикладі м. Одеси для літнього періоду.

Ключові слова: турбулентність, конвекція, вітровий переніс, вентиляція, міська забудова, бриз.

Белый Т.А “Турбулентно-ветровой режим в пограничном слое атмосферы южного приморского города”. - Рукопис.

Диссертация на соискание ученной степени кандидата географических наук по специальности 11.00.09 – метеорология, климатология, агрометеорология. – Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2002.

Дисертация посвящена методам расчета возможности вентиляции городской территории, складывающейся над зоной застройки южного приморского города. Проблема вентиляции территории курортных городов является актуальной особенно в течение курортного сезона. Промышленный город, являющийся одновременно и курортом, должен сохранять комфортность климатических условий вне зависимости от интенсивности промышленной и транспортной деятельности

Главное внимание в работе уделено особенностям турбулентного режима над территорией городской застройки, складывающегося в условиях усиленной конвекции, происходящей над перегретыми инсоляцией городскими ландшафтами. Это приводит к особому ветровому режиму, характерному для зон усиленной конвекции, который существенно изменяет ветровые потоки в черте городской застройки.

Исследования по данному вопросу обычно не проводились на уровне физико- математического моделирования, а в основном базировались лишь на данных наблюдений, которые обобщались в виде розы ветров. Но обычная недостача данных сводила результат к тому, что сведения о ветровом режиме над городом получались приближенными и осредненными. Предложенная автором модель позволяет рассчитывать ветровой режим при разных погодных условиях, что дает возможность реальной оценки качества вентиляции городской территории.

Существенной особенностью работы является апробация методов теории конвективного пограничного слоя, преобладающего в южном климатическом поясе и в умеренных широтах в теплый период года. Разработка модели неоднородной мезомасштабной турбулентности в географически неизотропной среде. Для этого на основе принципа наименьшего действия разработаны соответствующие модели воздушных потоков и специальный математический аппарат для расчета организации турбулентных вихрей в возможные ламинарные течения, формируемые под воздействием географического фактора. В процессе выполнения последней задачи изучены механизмы создания наименьшей деформации воздушной среды под воздействием внешнего потока и географического окружения. На основе методов неравновесной термодинамики исследованы возможности обнаружения роли принципа наименьшего действия в создании целенаправленной деформации течений, создающей в поле неизотропной турбулентности основной ветровой перенос в зонах техногенной застройки. Исходя из этого, разработаны алгоритмы расчета ветровых потоков в пределах городской застройки и окружающей ее рекреационной зоны, которые проверены на примере г. Одессы. Особое внимание уделено особенностям влияния бризовых эффектов и конвективных процессов на циркуляцию ветров в воздушном бассейне над приморским городом.

Для неизотропной по горизонтали турбулентности представлены новые подходы, которые способны соответствовать существующим в каждом отдельном случае географическим ландшафтам и учитывать их горизонтальную неизотропность. Если существующие модели изотропной турбулентности пограничного слоя практически лишь интегрально способны учитывать географический фактор, то в приведенной модели географический фактор должен явится главной основой ее положений.

Приводятся результаты решения обратной задачи, показывающие ту необходимую величину испарения с поверхности Куяльницкого и Хаджибейского лиманов, которая будет достаточной для образования ячейки Бенара закрытого типа над прибрежной частью акватории. Далее сделан вывод, что техногенные термики, образующиеся над зоной городской застройки, являются источником турбулизации атмосферы над городом, а также основой для усиления бризовой инверсии над прилегающей морской акваторией. В подинверсионном слое накапливается влага, достаточная для проявления процессов влажной конвекции над инверсией.

Основной предпосылкой в работе считается, что ветер свободной атмосферы, преодолевая турбулентные завихрения пограничного слоя атмосферы над орографическими и термическими неоднородностями городской территории и формируя основной поток, должен выбирать кратчайшее направление между двумя точками, расположенными в зонах преобладающей геострофичности.

Формула геодезической кривой, определяющей кратчайшее направление на искривленной поверхности пограничного слоя атмосферы, сформированного над городской застройкой, получена на основе принципа наименьшего действия.

Получены карты ветровых потоков на примере г. Одессы для летнего периода. Ветровой режим, складывающийся над районами техногенной городской застройки, существенно отличается от ветрового режима окрестностей в связи с преобладанием в его формировании факторов техногенного происхождения. Локальные "городские" ветра обычно имеют устойчивый во времени режим и меняются лишь при существенной смене микрометеорологического режима над городом, который сам по себе зависит в основном от сезона.

Ключевые слова: турбулентность, конвекция, ветровой перенос, вентиляция, городская застройка, бриз.

Bely Т.А. Turbulently-wind routine in boundary atmosphere layer of south seaside city. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree of geographical sciences by specialty 11.00.09 – meteorology, climatologic, agrometeorology. The Odesa state environmental university, - Odesa, 2002.

For ventilation calculation of an urban building are considered the turbulence development mechanisms within the bounds of urban building. The notion of turbulence domines and their connection with convective thermics was introduced. The analysis of turbulence development mechanisms in the city and the outskirts is given. It was studied the connection of thermal convection with in lying reservois' and sea surface's evaporation. The detailed analysis of convection formation according to Bernard is given as well as its interaction with breeze circulation. It was introduced the principle of the least action in calculation of wind transfer formation within the bounds of orographic landscapes of south seaside cities as well as thermally non-homogeneous and technogenic construction. The maps of the wind streams for summer period has been got on the basis of Odesa example.

Key words: turbulence, convection, wind transfer, ventilation, urban building, breeze.