WWW.LIT.I-DOCX.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - различные публикации
 

«А.Л. Афанасьев, П.П. Бобров, О.А. Ивченко Омский государственный педагогический университет С.В. Кривальцевич Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск Оценка тепловых потоков при испарении с ...»

Электронный научный журнал «Вестник Омского государственного педагогического университета»

Выпуск 2006 www.omsk.edu

А.Л. Афанасьев, П.П. Бобров, О.А. Ивченко

Омский государственный педагогический университет

С.В. Кривальцевич

Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск

Оценка тепловых потоков при испарении с поверхности почв

по метеорологическим параметрам

и данным микроволновой радиометрии

01.04.03 – радиофизика

Приведены результаты комплексного исследования потоков тепла и влаги из почвы в атмосферу в процессе испарения почвенной влаги. Турбулентный поток тепла измерялся с помощью акустического измерителя компонента скорости ветра. Величина испарения за длительные промежутки времени определялась как разность между значениями влажности почвы до глубины 1 м. Для контроля малых А величин испарения нами фиксировалось изменение коэффициента собственного радиотеплового излучения поверхности почв в микроволновом диапазоне. Показано, что, проводя непосредственные измерения турбулентного потока тепла в атмосферу, градиента температуры в верхних слоях почвы, радиояркостной температуры в сантиметровом диапазоне, возможно проводить оценку радиационного баланса .

Информация об испарении важна для определения влагообмена между почвой и атмосферой и используется в климатологии и гидрологии. В настоящее время не существует точных и универсальных методов расчета испарения. Существующие методы дают удовлетворительные результаты лишь в отдельных случаях. Большинство методов позволяют оценить испарение лишь за большие промежутки времени (недели и месяцы) [1,2] и на больших территориях .

Одним из методов расчета испарения является метод водного баланса, требующий трудоемких измерений влажности в слоях почвы до 2 метров. В последние десятилетия для оценки влажности использовался дистанционный радиометрический метод [3]. К сожалению, толщина слоя, в котором определялась влажность, невелика и в зависимости от рабочей длины волны может составлять от 1 до 5 см. Однако испарение с поверхности почв приводит к наиболее сильному изменению влажности именно в слое такой толщины, поэтому возможна оценка испарения по временной динамике коэффициента излучения [4], но только в случае отсутствия влияния грунтовых вод. Метод теплового баланса не обладает такими недостатками.

В этом методе испарение Е находят из уравнения:

LE = R – B – Q (1) где L – удельная теплота парообразования, R – радиационный баланс, B – турбулентный поток в почву, Q – турбулентный поток в атмосферу .

Радиационный баланс можно измерить непосредственно, либо воспользоваться данными метеорологических служб или вычислить его величину, располагая данными по альбедо,суммарной радиации SN и эффективном излучении IN при облачности в N баллов, а также при безоблачном небе (S00 и I0 соответственно), температуре и абсолютной влажности воздуха е [1].

Тогда радиационный баланс R вычисляют по следующим формулам:

<

–  –  –

где k, с – коэффициенты, зависящие от широты местности, определяемые по таблицам [1], S00 – коэффициент, зависящий от широты местности и от времени года, так же определяется по таблицам [1],

– постоянная Стефана–Больцмана, s – коэффициент излучения, T – абсолютная температура воздуха, r1, r2 – постоянные, зависящие от единиц измерения эффективного излучения [1] .

Приборов для непосредственного измерения радиационного баланса в нашем распоряжении не было, поэтому мы рассчитали его значение по выше приведенным формулам, полученные значения согласуются со справочными данными [7] .





Турбулентный поток тепла в атмосферу определяется из уравнения:

–  –  –

а – плотность воздуха, Ср – удельная теплоемкость почвы, – постоянная Кармана (0,38 – 0,4 [1]), V - скорость ветра на высоте z1, Z00 – высота подслоя шероховатости .

Трудности расчета Q по данному уравнению заключаются в определении высоты подслоя шероховатости, поэтому турбулентный поток тепла измерялся нами с помощью акустического измерителя компонент скорости ветра, разработанного в Институте оптики атмосферы СО РАН [8] .

Принцип измерения скорости ветра и температуры воздуха заключается в измерении времени распространения ультразвуковой волны между двумя датчиками, расположенными на расстоянии 20 см, в прямом и обратном направлениях. Для измерения трех компонент скорости ветра система содержит шесть датчиков, регистрирующих скорость ультразвука в трех взаимоперпендикулярных направлениях (рис. 1). Скорость звука зависит от температуры воздуха и компонент скорости ветра, параллельных вектору скорости звука. Частота измерения может составлять 6–9 раз в секунду. Тепловой поток вычисляется с использованием установленных зависимостей через компоненты скорости ветра и температуру воздуха .

Рис. 1. Датчик акустического измерителя скорости ветра

–  –  –

Рис. 2. Изменение турбулентного потока в атмосферу в дневные часы 9 и 10 сентября 2003 г. 1-9 сентября, 2-10 сентября Определенное таким образом среднее значение турбулентного потока в атмосферу 9 сентября 2003 года составляет 140 Вт/м2, а 10 сентября 2003 года 36 Вт/м2.

Разница в средних значениях тепловых потоков связана с разными погодными условиями в эти дни:

9 сентября сохранялась солнечная погода, облачность составляла 1,5 балла, скорость ветра менялась от 3 до 4 м/с, температура воздуха в течение дня повысилась от 14 до 21 C0, относительная влажность воздуха уменьшалась – в утренние часы она составляла 69%, а к вечеру достигла 47%. В ночь с 9 на 10 сентября прошел сильный дождь (3–8 мм), в течение дня сохранялась холодная погода при низкой облачности. Скорость ветра составляла 0,5 – 2 м/с, температура воздуха в течение дня слабо менялась от 8 до 9 С0, относительная влажность воздуха составляла 89% .

Поскольку тепловой поток измерялся в течение дня, а испарение за короткие промежутки времени было невелико, поэтому для контроля малых величин испарения нами фиксировалось изменение коэффициента собственного радиотеплового излучения поверхности почв в микроволновом диапазоне. Величина испарения за длительные промежутки времени определялась как разность между значениями влажности почвы до глубины 1 м .

Поток тепла в почву определялся по формуле Фурье, представленный в виде конечных разностей:

–  –  –

почву изменил знак на противоположный. Зависимости температур воздуха и градиентов температур двух почвенных участков за 9 и 10 сентября представлены на рис. 3 и 4 .

–  –  –

Рис. 3. Изменение температуры воздуха в дневные часы 9 и 10 сентября 2003 г .

1 – температура воздуха 9 сентября;2 – температура воздуха 10 сентября Градиент температур, К/м

–  –  –

Рис. 4. Градиенты температуры участков 1 и 2 в дневные часы 9 и 10 сентября 2003 г. 1, 2-9 сентября; 3, 4сентября; 1, 3 – градиент температуры участка 2; 2, 4 –градиент температуры участка 1 Радиояркостная температура, К

–  –  –

Сравнивая средние значения теплового потока в почву 10 сентября с данными по тепловому потоку в атмосферу за тот же день, приведенными на рис. 1, видим, что поток тепла из почвы по модулю равен потоку тепла в атмосферу. Днем 10 сентября испарение практически отсутствовало, о чем свидетельствует динамика радиояркостной температуры на длинах волн 3,6 и 11 см (рис. 4). При этом величина радиационного баланса была мала, т. е. поток тепла в атмосферу создавался потоком тепла из почвы: – В + Q = 0 .

Днем 9 сентября суммарная радиация была существенно выше, поэтому сумма потоков В + Q = R –LE составляла 220 ± 10 Вт/м2. Испарение оценивалось нами по динамике радиояркостной температуры поверхности почвы двумя способами – по методике, изложенной в [4] и путем определения влажности верхнего слоя почвы по радиояркостной температуре на длинах волн 3,6 и 5 см .

Первый способ более точно позволяет определить испарение за сутки, нами же испарение определялось за период менее 7 часов. Второй способ дает заниженные значения испарения, особенно во второй половине дня, когда подтягивание воды из нижележащих слоев почвы становится значительным. Среднее значение испарения, полученное первым способом 1,2·10–4мм/с, вторым 0,58·10–4 мм/с. Определив теплоту, затрачиваемую на испарение можно определить радиационный баланс по формуле (1). Если использовать значение испарения 1,2·10–4 мм/с, то полученное значение составляет 101 Вт/м2. Расчет по формуле (2) дает близкое значение – 108 Вт/м2. Эти данные согласуются и со среднестатистическими данными для данной местности и времени года. Из приведенных в [7] таблиц можно получить среднее за период с 10h 50m до 16h 30m значение в 187 Вт/м2 .

Таким образом, проводя непосредственные измерения турбулентного потока тепла в атмосферу, градиента температуры в верхних слоях почвы, радиояркостной температуры в сантиметровом диапазоне, возможно проводить оценку радиационного баланса .

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы ''Интеграция'' (проект № И 106/1202) .

Библиография

1. Будаговский А. И. Испарение почвенной влаги. – М.: Наука. 1964. – 243 с .

2. Зубенок Л. И. Испарение на континентах. – Л.: Гидрометеоиздат. 1976. – 264 с .

3. Шутко А. М. СВЧ–радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. – М.: Наука. 1986. – 190 с .

4. Бобров П. П., Беляева Т. А., Кравцов Ю. А., Тихонов В. В. Исследование испарения с поверхности почв методом микроволновой радиометрии. – М.: Препринт Института космических исследований РАН. Пр-2006. 1999. – 43с .

5. Карнацевич И. В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосбросов на территории Сибири. Ч. 1. Теплоэнергетические ресурсы климата и климатических процессов: Учебное пособие .

– Омск, 1989. – 76 с .

6. Чудновский А. Ф. Теплофизика почв. – М.: Наука, 1976. – 352 с .

7. Справочник по климату СССР. Выпуск 17: Омская и Тюменская области. Часть 1: Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. – Л.: Гидрометеоиздат, 1966. – 42с .

8. Ростов А. П. // Оптика атмосферы и океана. – 1993. – Т. 6. – № 1. – С. 102–106 .






Похожие работы:

«Отечественная и зарубежная педагогика Т.1 No2 (48) за 2018 г. Аннотации и ключевые слова к статьям К.С. Шаров Теория государства и права сэра Ньютона: идея о воспитании подданных короны В статье проведен анализ теории божественного происхождения государства и права английского ученого и богослова Исаака Ньютона и установле...»

«Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования "Сосенская школа искусств", Козельского района Калужской области "Одобрено" "Утверждаю" Педагогическим советом Директор МБУ ДО "Сосенская школа искусств" МБУ ДО "Сосенская школа искусств" _ Найдюк Л.М, Протокол №1 от 29.08.2017 г. Приказ №39/2 ЛС от...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Управление образования администрации города Орла Муниципальное бюджетное дошкольное образовательное учреждение Центр развития ребенка – детский сад № 60 "Березка" 302025,Россия,Орловская область...»

«Приложение к основной образовательной программе начального общего образования ГБОУ СО "Верхотурская гимназия", утвержденной приказом от 27 февраля 2018 г. № 12/1 Принята на педагогическом совете Утверждаю: Протокол № 2 от 20 февраля 2...»

«Отчёт о результатах самообследования образовательной деятельности муниципального автономного общеобразовательного учреждения "Тохтуевская средняя общеобразовательная школа" Соликамского района Пермского края за 2014-2015 учебный год Информацион...»

«ОЛЬГА БУТАКОВА ПОМОЖЕТ ТОЛЬКО ВОДА ОЛЬГА БУТАКОВА ПОМОЖЕТ ТОЛЬКО ВОДА Из д ате л ьст во АСТ Москва УДК 615.89 ББК 53.59 Б93 Бутакова, О.А. Б93 Поможет только вода / Ольга Бутакова. – Москва: Издательство АСТ,...»

«Консультация педагога-психолога И.В. Михайлова Истерика у ребенка: причины и способы борьбы Практически каждый родитель хотя бы однажды чувствовал свою беспомощность перед малышом, бьющимся в истерике. Правильная реакция взрослых в такой ситуации – первостепенная задача, потому что...»







 
2018 www.lit.i-docx.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.