Глава 2
ТУРБУЛЕНТНЫЙ ТЕПЛО- И ВЛАГООБМЕН.
СТРУКТУРА ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА
В отличие от компонентов радиационного балан-
са, характеристики турбулентного обмена как на рав-
нине, так и в горной местности рассчитываются кос-
венными методами. При этом чаще всего используют-
ся результаты так называемых градиентных наблюде-
ний, т.е. вертикальные градиенты температуры возду-
ха и упругости водяного пара, а также скорость ветра в
слое, непосредственно примыкающем к подстилаю-
щей поверхности. Стандартная методика, применяе-
мая на сети метеорологических станций, разработана
для условий равновесной и неустойчивой стратифика-
ции и слабых инверсий температуры воздуха.
С конца 50-х годов, когда гляциометеорологи-
ческие исследования стали проводиться в большом
числе горно-ледниковых районов, многочисленные
методы расчета параметров турбулентного обмена,
разработанные для равнинных территорий, были
“перенесены” на ледники. При этом не учитывалось,
что механизм турбулентности здесь чрезвычайно сло-
жен и отличается от такового на равнинах: а) нали-
чие круглосуточной и глубокой инверсии температу-
ры затрудняет динамическую турбулентность; 6) по-
стоянные параметры в полуэмпирических формулах,
рассчитанные для горизонтальной однородной по-
верхности, неприменимы в условиях наклонного
ледника, обрамленного крутыми склонами гор;
в) местная циркуляция воздуха, включающая стоко-
вый ветер, долинный поток, ветры склонов, фён из
свободной атмосферы, представляет собой нестацио-
нарный поток, внутри которого температурные,
влажностные и ветровые характеристики варьируют в
вертикальном и горизонтальном направлениях, а
также в разные промежутки времени.
Исходя из сказанного становится понятным,
что методы расчета турбулентных потоков тепла Р и
влаги Ё, основанные на применении полуэмпиричес-
кой теории турбулентности для установившегося по-
тока воздуха над обширной ровной поверхностью, не
могут быть использованы, так как дают недостовер-
ные результаты в условиях горного ледника. Но та-
кие выводы были получены некоторыми авторами в
результате исследований в ряде ледниковых районов
лишь спустя значительное число лет, когда были на-
коплены и проанализированы материалы градиент-
ных наблюдений и опробованы разные методы рас-
чета параметров турбулентного обмена в большом
диапазоне температурных и иных показателей, раз-
ных условиях климата, при различной структуре теп-
лового баланса.
Особое значение при определении характерис-
тик турбулентного обмена имеет распределение ско-
рости ветра в нижнем приледниковом слое воздуха.
Как было установлено в ряде работ, от этого фактора
в значительной мере зависят интенсивность обмена,
величина слоя воздуха, в котором должны прово-
диться градиентные наблюдения, и в целом приме-
нимость той или иной расчетной формулы.
Обоснованность выбора какого-либо метода
оценки количества тепла, обусловленного турбулент-
ным тепло- и влагообменом (Ри /Ё, здесь /Г — скры-
тая теплота испарения-конденсации, равная 600
кал/г при 0 °С), может быть доказана в какой-то мере
путем сопоставления измеренных и рассчитанных
величин таяния, полученных из уравнения теплового
баланса. Но в большинстве горно-ледниковых райо-
нов средних широт преобладающая часть энергии,
затрачиваемой на таяние, поступает от солнечной ра-
диации, а величины Р и ГЁ ничтожно малы и неред-
ко имеют разные знаки. Очевидно, что проверка
применимости той или иной формулы расчета может
проводиться лишь при определенных условиях, а
именно: а) в результате турбулентного влагообмена
на леднике существенно преобладает конденсация,
так как в противном случае (при испарении) раз-
ность Р — [.Е, как правило, близка к нулю при лю-
бых значениях каждого из параметров.; б) член урав-
нения теплового баланса Р + /Е должен быть того же
порядка, что и радиационный баланс, и выражаться
достаточно большими по абсолютной величине зна-
чениями, так как при малых величинах ошибки из-
мерений затрат тепла на таяние и радиационного ба-
ланса сопоставимы с параметрами Ри /Ё.
В большинстве случаев при оценке применимо-
сти формул, выбранных отдельными авторами, усло-
вия, изложенные выше, не выполнялись, что ставит
под сомнение полученные ими величины Р и Г.ЕЁ, да-
же если измеренный и рассчитанный слои стаявшего
снега (льда) имеют близкие значения. Таким обра-
зом, приводимые в этой главе данные по отдельным
ледниковым регионам следует считать весьма услов-
ными и пригодными лишь для оценки порядка вели-
чин параметров турбулентного обмена и их относи-
тельной доли в структуре теплового баланса.
2.1. Методы измерений и расчетов параметров
турбулентного тепло- и влагообмена
Прямой (пульсационный) метод, основанный
на измерении пульсаций скорости ветра, температу-
ры и удельной влажности воздуха, связан с примене-
нием сложной аппаратуры и на ледниках до настоя-
щего времени не использовался по техническим при-
чинам (автономное питание и громоздкость аппара-
туры). Традиционный подход к расчету параметров
- 54 -