Нестационарные процессы в пограничном слое атмосферы. Суточный ход температуры воздуха. Ночное понижение температуры поверхности почвы.

Физиологи установили, что работоспособность - величина переменная и связано это с изменениями характера протекания физиологических и психических функций в организме. Высокая работоспособность при любом виде деятельности обеспечивается только в том случае, когда трудовой ритм совпадает с естественной периодичностью суточного ритма физиологических функций организма.Основными фазами являются:1. Фаза врабатывания, или нарастающей работоспособности. В течение этого периода происходит перестройка физиологических функций от предшествующего вида деятельности человека к производственной. Эта фаза длится от нескольких минут до 1,5 часа.2. Фаза устойчивой высокой работоспособности. Для нее характерно, что в организме человека устанавливается относительная стабильность или даже некоторое снижение напряженности физиологических функций. Это состояние сочетается с высокими трудовыми показателями (увеличение выработки, уменьшение брака, снижение затрат рабочего времени на выполнение операций, сокращение простоев оборудования, ошибочных действий). В зависимости от степени тяжести труда фаза устойчивой работоспособности может удерживаться в течение 2 - 2,5 и более часов.3. Фаза развития утомления и связанного с этим падения работоспособности длится от нескольких минут до 1 - 1,5 часа и характеризуется ухудшением функционального состояния организма и технико-экономических показателей его трудовой деятельности.На эффективность труда оказывает влияние и суточный физиологический ритм работающего. Физиологические функции человека в течение суток меняются в строго определенном порядке. Большинство из них в дневное время повышается, а в ночное - понижается. Это обусловливает неодинаковую реакцию организма на физическую и нервно-психологическую нагрузку в разное время суток, что приводит к определенным колебаниям работоспособности и производительности труда. На рис. 2 показаны эти колебания в течение суток. Пашуто П. В. Организация и нормирование труда на предприятииИзложите постановку задачи суточного хода температурывоздухавпограничномслоеатмосферысупрощениями,касающимисядинамическиххарактеристикпроцессаисуточногоходарадиационногобалансаподстилающейповерхностиВыберем одну из форм записи решения, например, через функцию косинуса(4.1)Анализ формулы (4.1) показывает, что отклонение температуры воздуха на высоте  в конкретный момент времени  от ее среднесуточного значения имеет вид гармонической функции(4.2)где(4.3)(4.4)Здесь  – амплитуда колебаний температуры воздуха на произвольной высоте ,  – фаза упомянутых колебаний.Вычислим амплитуду и фазу колебаний на поверхности, то есть при (4.5)(4.6)Из соотношений (4.5) и (4.4) следует, что колебания температуры на поверхности  описываются выражением(4.7)Из формулы (4.5) можно определить факторы, влияющие на величину амплитуды колебаний температуры подстилающей поверхности.Амплитуда суточного хода температуры подстилающей поверхности прямо пропорциональна амплитуде колебаний радиационного баланса . Соответственно на суточный ход влияют все факторы, влияющие на амплитуду радиационного баланса. Например, существенное влияние на амплитуду радиационного баланса оказывает облачность.Амплитуда колебаний температуры подстилающей поверхности существенным образом зависит от коэффициента турбулентности . При сильно развитой турбулентности тепло быстро распространяется по вертикали, благодаря чему амплитуда суточных колебаний температуры поверхности оказывается сравнительно малой.Амплитуда колебаний температуры подстилающей поверхности зависит от теплофизических свойств почвы: температуропроводности , объемной теплоемкости , теплопроводности . Если почва обладает хорошей теплопроводностью, то днем значительная доля тепла уходит в нижележащие слои. Соответственно доля тепла, идущая на теплообмен воздуха, уменьшается, и максимум температуры в ее суточном ходе оказывается достаточно низким. Поэтому суточный ход температуры над хорошо проводящей почвой оказывается более сглаженным, чем над почвой с малой теплопроводностью.Из сравнения формул (4.3) и (4.5) следует, что(4.8)Соотношение (4.8) описывает затухание амплитуды колебаний температуры с высотой. Скорость затухания амплитуды колебаний определяется величиной(4.9)которую называют коэффициентом затухания. Чем больше коэффициент , тем быстрее убывает амплитуда колебаний с высотой. Из формулы (4.9) видно, что коэффициент затухания  обратно пропорционален корню из коэффициента турбулентности(4.10)Это означает, что чем интенсивнее турбулентный обмен, тем медленнее затухают колебания температуры с высотой, что вполне физически обоснованно. При интенсивном обмене тепло быстро распространяется по вертикали, в результате чего суточный ход температуры выражен в достаточно мощном по вертикали слое. Слой атмосферы, в котором хорошо выражены суточные колебания температуры, обусловленные турбулентным обменом с подстилающей поверхностью, называют тепловым пограничным слоем. Иными словами, этот той слой, выше которого колебания отсутствуют.Из анализа затухания амплитуды колебаний температуры получают количественную оценку теплового пограничного слоя. Из (4.8) следует, что отношение амплитуды  к амплитуде  описывается следующим соотношением(4.11)При практических расчетах высоты теплового пограничного слоя считается, что колебания отсутствуют, если их амплитуда уменьшилась по сравнению с амплитудой у поверхности в  раз. Тогда(4.12)Логарифмируем соотношение (4.12)(4.13)Разрешая (4.13) относительно высоты, получаем(4.14)Из оценки (4.14) видно, что высота теплового пограничного слоя обратно пропорциональна коэффициенту затухания .Заметим, что аналогичную оценку можно получить для глубины деятельного слоя почвы(4.14)Сравним  и (4.15)Подставляя характерные значения  и , получаемТо есть толщина теплового пограничного слоя атмосферы в сотни раз превосходит толщину деятельного слоя почвы. Это связано только с тем, что интенсивность турбулентного обмена теплом на порядки выше интенсивности молекулярного.Рассмотрим сдвиг фазы колебаний температуры. Он обусловлен тем, что тепло распространяется в среде с конечной скоростью, следовательно, воздух нагревается от подстилающей поверхности с некоторым инерционным запаздыванием.Сравним моменты времени  и , в которые наблюдается фиксированная фаза температура на земной поверхности и на произвольной высоте 𝑧. Поскольку для фиксированной фазы колебаний косинус должен быть величиной постоянной (некоторой константой 𝐶)(4.15)то(4.16)Из формулы (4.16) следует, что запаздывание наступления некоторой фазы колебаний температуры удовлетворяет соотношению(4.17)Таким образом, фиксированная фаза колебаний температуры наступает тем позже, чем больше высота (зависимость линейная). До заданной высоты фиксированная фаза колебаний температуры распространяется тем быстрее, чем больше коэффициент турбулентности. Поскольку за время  фиксированная фаза колебаний температуры распространяется от земной поверхности до высоты  фазовая скорость температурной волны равна(4.18)Проанализируем время наступления фазы максимума температуры. В задаче о суточном ходе температуры отсчеты времени ведутся от момента наступления максимума радиационного баланса, что имеет место в истинный полдень при максимальной высоте солнца за сутки. Обращаясь к соотношению (4.7), описывающему колебания температуры на поверхности, заключаем что ее максимум имеет место, когда(4.19)Это в свою очередь имеет место, если(4.20)Отсюда(4.21)то есть наступает через 3 часа после максимума радиационного баланса.Руководствуясь соотношением (4.17), получаем, что максимум температуры на произвольной высоте  наступает в момент времени(4.22)Прибавляя 12 часов, перейдем к астрономическому времени(4.23)Сделайтенеобходимыепреобразованияуравнений,изложите ход их решения, и запишите конечную формулу длясуточного хода отклонений температуры от её среднесуточногозначения.Выполнитеподробныйанализзависимостипараметровсуточногоходатемпературыотвысотыиотфизическихсвойств атмосферы и подстилающей поверхности. Отметьте, каксоотносятсяфазысуточныхколебанийтурбулентногопотокатеплаитемпературыповерхностисфазойколебанийрадиационного баланса. Обратить внимание на зависимость отвысотыфазысуточныхколебаний температурыСуточные и годовые изменения температуры покрытия при изменении составляющих теплового баланса, а также при тепле, транспортных потоках и вертикальном водообмене. В ходе изменения температуры на поверхности океана и морей проявляются преимущественно суточные и годовые ожидаемые радиационные составляющие теплового баланса. Однако накопление и потребление тепла морем отстает от максимальной и минимальной температуры воздуха. Самые высокие температуры воды наблюдаются во второй половине дня, около 14-16 часов, а самые низкие около 4-8 часов утра.[ ...]СУТОЧНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ метеорологического элемента. Изменение значения этого элемента в течение суток, связанное с суточным вращением Земли; либо нечасто выпадающие, либо по многолетним значениям по выбору месяца или сезона, либо по году в целом. Также можно определить С. Х. для конкретных условий: например, С. Х. температуры воздуха при ясном или полностью закрытом небе.[ ...]Температура воздуха на Земле колеблется от -88,3 (ст. Восток, Антарктида) до +58,7°С (Гарьян, Ливия). Температура поверхности песка или камня в пустыне может достигать 70°. Среднегодовая температура приземного слоя воздуха над континентами и океаном (кроме Антарктиды) +15,7°С. Средняя расчетная температура самой наземной биомассы составляет 17,5°. Большие зависимости связаны с поясами и сезонами. Но если в районе Восточно-Сибирского антициклона значения сезонных изменений температуры уменьшаются на 100°С, то в наблюдаемых экваториальных тропических лесах - всего на 2-4°С. Для получения средней температуры окружающей среды 1°С (без оттока тепла) достаточно 0,2% годового баланса солнечной радиации. Следовательно, ожидается тепловое равновесие окружающей среды. Температурные явления наблюдаются в почве и сглаживаются: на глубине 25 см суточный ход температуры уже отсутствует. Средняя температура гидросферы еще более стабильна: 3,3°.[ ...]Суточные колебания относительно зависят от давления пара и эластичности насыщения. При повышении температуры испаряющей поверхности Но чаще всего значительно быстрее, чем при повышении температуры поверхности, при ней и при температуре воздуха. формула (5.1)]. Его дневное протекание особенно ярко выражено над континентами летом, когда в результате турбулентной диффузии пар поднимается и опускается у поверхности, а температура воздуха повышается. Поэтому величина суточной повторяемости имеет относительно высокую интенсивность при гораздо больших, чем приповерхностные, вспышках.[ ...]Суточные температуры воздуха сильно повышаются из-за свойств подстилающей поверхности. Для земли это в первую очередь альбедо и относительная излучательная способность; для водоемов это особенности вертикального теплообмена в их протекании, так как от них зависит изменение температуры водной поверхности. Над океанами суточные температуры низкие и находятся в пределах 2-3°, а над континентами максимальны и достигают 20-25°С. На формирование суточного хода большое влияние оказывают особенности рельефа и высота местности над уровнем моря.[ ...]Температура воздуха у поверхности земли измеряется на высоте 2 м. Его суточный ход, как и многих других метеорологических объектов (влажность воздуха, скорость ветра и др.), хорошо прослеживается лишь в условиях устойчивой ясной погоды, обычно характерной для антициклонов. Минимальная температура солнечного воздуха наблюдается внезапно после восхода солнца, максимальная в 14-15 часов.[ ...]Суточный и годовой ход температуры воздуха в приземном слое атмосферы определяется по температуре на высоте 2 м. В основном этот ход обусловлен соответствующим ходом температуры деятельной поверхности. Особенности хода температуры воздуха определяются его экстремумами, т.е. наибольшими и наименьшими температурами. Разность между этими температурами называют амплитудой хода температуры воздуха. Закономерность суточного и годового хода температуры воздуха выявляется при осреднении результатов многолетних наблюдений. Она связана с периодическими колебаниями. Непериодические нарушения суточного и годового хода, обусловленные вторжением теплых или холодных воздушных масс, искажают нормальный ход температуры воздуха.ИзложитезадачуоночномпонижениитемпературыподстилающейповерхностиНочное изменение температуры в самой природной среде хотя и является частью суточного хода, но более естественно, как самостоятельный процесс. Ночное изменение температуры подстилающей поверхности (радиационное выхолаживание) происходит в результате суточного хода радиационного баланса подстилающей поверхности. В ночные часы происходит прямой поток солнечной радиации. Таким образом, приходящая часть радиационного баланса ночью практически отсутствует. При этом даже в случае облачной атмосферы, т.е. при ее значительном противоречии с выходом потока, она много больше нуля, следовательно, в случае радиационного баланса меньше нуля, а иногда много меньше нуля. Ночью происходит радиационное выхолаживание подстилающей поверхности, так что в переходные сезоны на почве может образовываться ночной изморозь. Замерзание – это повышенное отклонение температуры до отклонения значений на фоне ее положительного среднесуточного значения. Заморозки:1. Адвективный. Они вызывают наступление нормальной воздушной массы со скоростью не менее 5 м/с на подстилающую поверхность с низкой температурой и, как следствие, ее охлаждение.2. Радиация. Они просто называют это радиационным охлаждением.Простую и удобную схему прогнозирования ночных радиационных заморозков предложил Брент, который исходил из этого:1. Приток коротковолнового излучения в ночные часы равного потребления.2. Замораживание формы для установки времени с использованием удобной инверсии температуры на поверхности поверхности. Те. образуется сильно устойчивая стратификация, при которой турбулентный обмен затруднен. Брент считает его отсутствующим.3. Основной причиной радиационного выхолаживания в ночные часы является эффективная радиация, в которую входят значения Брент в ночное время.Таким образом, радиация выявляется в начале ночи (скорее всего в ночное время повышения температуры подстилающей поверхности), что искусственно связывается с повышением риска в ночное время и перекрывает обнаружение температуры подстилающей поверхности. поверхность и образование инея. Формула Брента может быть получена из уравнения теплопроводности с учетом решения начальных и граничных (краевых) условий. Температура в любой момент ночи — это температура в начале ночи и отклонение от этой температуры. Фактически возникает вопрос о нахождении отклонения. Вы можете получить формулу Brent, несколько упрощенный подход. Выражение для оценки дисперсии на основе размерного анализайНочное изменение температуры в самой природной среде хотя и является частью суточного хода, но более естественно, как самостоятельный процесс. Ночное изменение температуры подстилающей поверхности (радиационное выхолаживание) происходит в результате суточного хода радиационного баланса подстилающей поверхности. В ночные часы происходит прямой поток солнечной радиации. Таким образом, приходящая часть радиационного баланса ночью практически отсутствует. При этом даже в случае облачной атмосферы, т.е. при ее значительном противоречии с выходом потока, она много больше нуля, следовательно, в случае радиационного баланса меньше нуля, а иногда много меньше нуля. Ночью происходит радиационное выхолаживание подстилающей поверхности, так что в переходные сезоны на почве может образовываться ночной изморозь. Замерзание – это повышенное отклонение температуры до отклонения значений на фоне ее положительного среднесуточного значения. Заморозки:1. Адвективный. Они вызывают наступление нормальной воздушной массы со скоростью не менее 5 м/с на подстилающую поверхность с низкой температурой и, как следствие, ее охлаждение.2. Радиация. Они просто называют это радиационным охлаждением.Простую и удобную схему прогнозирования ночных радиационных заморозков предложил Брент, который исходил из этого:1. Приток коротковолнового излучения в ночные часы равного потребления.2. Замораживание формы для установки времени с использованием удобной инверсии температуры на поверхности поверхности. Те. образуется сильно устойчивая стратификация, при которой турбулентный обмен затруднен. Брент считает его отсутствующим.3. Основной причиной радиационного выхолаживания в ночные часы является эффективная радиация, в которую входят значения Брент в ночное время.Таким образом, радиация выявляется в начале ночи (скорее всего в ночное время повышения температуры подстилающей поверхности), что искусственно связывается с повышением риска в ночное время и перекрывает обнаружение температуры подстилающей поверхности. поверхность и образование инея. Формула Брента может быть получена из уравнения теплопроводности с учетом решения начальных и граничных (краевых) условий. Температура в любой момент ночи — это температура в начале ночи и отклонение от этой температуры. Фактически возникает вопрос о нахождении отклонения. Вы можете получить формулу Brent, несколько упрощенный подход. Выражение для оценки дисперсии на основе размерного анализаЗаключениеВ работе изучен суточный ход температуры пограничного слоя атмосферы. Рассмотрена физико-математическая модель суточного хода температуры, в которой делается предположениео постоянстве коэффициентов турбулентной и молекулярной температуропроводности, асуточный ход радиационного баланса подстилающей поверхности аппроксимируется простой косинусоидой. После введения среднесуточных значений температуры воздуха и почвы и отклонений от них, в силу линейности уравнений, задача переформулирована в отклонениях.Рассмотрено решение поставленной задачи теплопроводности для случая сухой подстилающей поверхности.Полученное решение проанализировано. Оценено затухание амплитуды колебаний температуры воздуха при распространении тепловой волны от подстилающей поверхности на высоты. Перечислены основные факторы, влияющие на величину амплитуды колебаний подстилающей поверхности, и как следствие, на амплитуду колебаний температуры воздуха.Введено понятие теплового пограничного слоя и дана количественная оценка его высоты на основе анализа затухания амплитуды колебаний температуры.Проведено сравнение высоты теплового пограничного слоя с глубиной деятельного слоя почвы.Проанализирован сдвиг фазы колебаний температуры на произвольной высоте по отношению к подстилающей поверхности. В результате, получена формула для оценки времени запаздывания произвольной фазы колебаний по отношению ко времени ее наступления на поверхности. В частности,приведена формула для расчета времени наступления максимума температуры на произвольной высоте.Список использованной литературы1. Лайхтман Д.Л. (ред.). Динамическая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат. 1976 г. – 608 с.2. Л. Т. Матвеев. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.:Гидрометеоиздат, 1984. 752 с.3. Задачник по динамической метеорологии: [А. С. Гаврилов, А. М. Данович, К. Л. Егоров и др.]. Л. Гидрометеоиздат,1984. 165 с.4. Методические указания по дисциплине «Динамическая метеорология» для высших учебных заведений. Направление подготовки 05.03.05. – Прикладная гидрометеорология. Профиль подготовки – Прикладная метеорология.