Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Мезомасштабпые атмосферные процессы 18
1.1 Динамика атмосферы 18
1.2 Методы исследования атмосферы 33
1.3 Распространение радиоволн в атмосфере 38
1.4 Выводы 41
Глава 2. Мезомасштабное моделирование атмосферы 43
2.1 Привязка к реальным данным 43
2.2 Модель атмосферных процессов 46
2.3 Коэффициент преломления 56
2.4 Распределенные вычисления 59
2.5 Модель реальной атмосферы 60
2.6 Достоверность результатов моделирования 66
2.7 Выводы 74
Глава 3. Мезомасштабная неоднородная структура метеопараметров и примесей в тропосфере 75
3.1 Неоднородная структура метеопараметров 75
3.2 Неоднородная структура примесей 84
3.3 Выводы 106
Глава 4. Мезомасштабная неоднородная структура коэффициента преломления радиоволн в атмосфере и ее влияние на распространение радиоволн 108
4.1 Модель неоднородной с груктуры коэффициента преломления радиоволн в нижней атмосфере 108
4.2 Достоверность результатов моделирования 109
4.3 Неоднородная структура коэффициента преломления радиоволн в атмосфере 115
4.4 Распространение радиоволн в неоднородной нейтральной атмосфере 119
4.5 Выводы 138
Заключение 141
Литература 142
- Методы исследования атмосферы
- Модель атмосферных процессов
- Неоднородная структура примесей
- Достоверность результатов моделирования
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы и ее влиянию на распространение радиоволн. Под мезомасштабами в данной работе подразумеваются характерные временные интервалы от десятков минут до десятков часов, пространственные интервалы от километров до сотен километров. Разработана модель мезомасштабной неоднородной структуры реальной атмосферы на основе методов трехмерного численного моделирования динамики атмосферы, с использованием эмпирических данных, реалъньж геофизических данных, с учетом нестационарного характера атмосферных процессов. Получены параметры мезомасштабных пространственно-временных вариаций метеопараметров, концентрации ряда примесей, коэффициента преломления радиоволн. Исследовано влияние мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы на физические характеристики радиотрасс при различных зенитных углах с учетом зависимости от времени суток и сезонов года.
Актуальность темы. В реальной атмосфере присутствуют неоднородности и возмущения в широком спектре масштабов. В настоящее время мезомасштабная пространственно-временная неоднородная структура атмосферы остается изученной недостаточно. Изучение мезомасштабной неоднородной структуры атмосферных параметров необходимо для решения фундаментальных и прикладных задач экологии, распространения радиоволн в атмосфере, физики атмосферных процессов, и является одним из актуальных направлений современных исследований в области физики атмосферы и радиофизики.
Для задач спутникового радиозондирования земной поверхности и навигации представляет интерес всестороннее исследование возмущения, которое оказывает мезомасштабная неоднородная структура реальной атмосферы на
распространение радиоволн по различным трассам. Для получения точных параметров указанного возмущения необходимо восстановление реальной мезомасштабпой неоднородной структуры коэффициента преломления по всей длине радиотрассы на момент распространения радиоволн. Мезомасштабная неоднородная структура реальной атмосферы, в том числе поля коэффициента преломления, меняется во времени, зависит от реальных гео- и метеоусловий на местности.
Для всестороннего изучения указанных явлений и процессов необходимы трехмерные данные о полях атмосферных параметров в реальной атмосфере и их динамика. Получение подобных данных в достаточном разрешении экспериментальными методами сопряжено с рядом практических трудностей, высоких материальных затрат, иногда вовсе технически неосуществимо. Рост вычислительной мощности современных распределенных вычислительных систем и указанные выше проблемы делают актуальным направление исследований мезомасштабных атмосферных процессов на основе сочетания экспериментальных методов и методов численного моделирования [53, 60, 61, 108], что снимает часть ограничении чистых экспериментальных методик.
Целью работы является исследование мезомасштабных пространственно-временных вариаций полей различных атмосферных параметров (метеопараметры, примеси, коэффициент преломления радиоволн), а также влияния мезомасштабной структуры коэффициента преломления на распространение радиоволн в атмосфере.
Решаемые задачи. Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
Создание адекватной трехмерной модели мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы (температуры, давления, влагосодержания, ряда примесей, коэффициента преломления радиоволн) и ее динамики.
Получение достоверных мезомасштабных неоднородных полей атмосферных параметров и их динамики.
Исследование пространственно-временной изменчивости мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы.
Исследование влияния мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы на физические характеристики радиотрасс.
Методы исследования. Решение поставленных задач базируется на комплексном подходе, использующем мезомасштабную численную метеомодель, реальные метео- и геофизические данные, длинные ряды натурных измерений, модель коэффициента преломления радиоволн, модель -распространения радиоволн в неоднородной среде. Применяется метод параллельных расчетов на высокопроизводительном вычислительном кластере. Анализ мезомасштабных пространственно-временных вариаций атмосферных параметров и их влияния на распространение радиоволн проводится с использованием статистических методов.
Научная новизна данной работы заключается в следующем:
Впервые создана модель мезомасштабной пространственно-временной изменчивости атмосферных параметров, включающая концентрацию ряда примесей и коэффициент преломления радиоволн, на основе численной метеомодели и длинных рядов натурных ежеминутных измерений.
Впервые получена приближенная к реальной детальная мезомасштабная трехмерная динамика неоднородной структуры метеопараметров,
концентрации ряда примесей (аэрозоль, HN04, N205, HNO3, 03, S02, СО, Н2О2), коэффициента преломления радиоволн в атмосфере над территорией РТ.
Впервые получены параметры мезомасштабной пространственно-временной изменчивости полей метеопараметров, концентрации примесей, коэффициента преломления в атмосфере над территорией РТ на основе трехмерных полей и их динамики.
Впервые получены значения возмущения физических характеристик радиотрасс мезомасштабной неоднородной структурой атмосферы с учетом зависимости от времени суток и сезонов года, на основе трехмерных полей коэффициента преломления и их динамики.
На защиту выносятся:
Нестационарная модель мезомасштабной неоднородной структуры метеопараметров, примесей (аэрозоль, HN04, N205, HNO3, О3, S02, СО, Н202), коэффициента преломления радиоволн в тропосфере над территорией РТ.
Закономерности пространственно-временной изменчивости мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы для метеопараметров, примесей (аэрозоль, HNO4, N205, HNO3, 03, S02, СО, Н202), полученные по длинным рядам трехмерных полей высокого разрешения над территорией РТ.
Мезомасштабная неоднородная структура коэффициента преломления радиоволн в атмосфере и параметры возмущения характеристик радиотрасс с учетом зависимости от времени суток и сезонов года.
Достоверность полученных результатов подтверждена базой уникальных данных ежеминутного мониторинга метеопараметров и примесей на сети пространственно разнесенных станций в восточно-европейской области России (г. Азнакаево - станция с координатами 54.85 с.ш., 53.1 в.д.; г. Альметьевск - сеть из 5 станций, разнесенных на расстояния от 1 до 6 км, с координатами центра 54.9 с.ш., 52.3 в.д.; г. Зеленодольск - станция с координатами 55.85 с.ш., 48.5 в.д.; г. Казань - станция с координатами 55.8 с.ш., 49.1 в.д.; г. Миннибаево - 2 станции, разнесенные на расстояние 2.5 км по долготе, с координатами центра 54.8 с.ш., 52.2 в.д.) с 1996 года по 2005 год включительно.
Практическая ценность работы.
Модель мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы над территорией РТ, включающая метеопараметры, концентрации ряда примесей, коэффициент преломления, применима для научных исследований и решения широкого круга задач в области физики атмосферы, радиофизики, экологии. Модель применима для исследований атмосферы над другими территориями с некоторыми переработками под локальные особенности местности. Использование модели позволяет сократить расходы на получение экспериментальных данных, позволяет получить данные недоступные экспериментальными методами.
Массив данных о динамике реальной атмосферы над территорией РТ и пространственно-временные характеристики мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы отражают особенности атмосферной физики, могут быть использованы при разработке соответствующих теоретических концепций, применимы для научных исследований и решения широкого круга задач в области физики атмосферы, радиофизики, экологии.
Результаты и закономерности по влиянию мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы на характеристики радиотрасс отражают особенности
атмосферной физики, ценны для понимания сущности атмосферной радиофизики, применимы для практического совершенствования методов спутникового дистанционного зондирования земной поверхности, повышения точности современных средств навигации, радиолокации и др., позволяют сократить расходы измерения радиоволновых характеристик атмосферы.
Степень внедрения. Созданная модель и другие результаты данной работы применяются в различных научных исследованиях в области физики атмосферы и радиофизики в Казанском Государственном Университете, в частности для исследований с использованием просвечивания атмосферы радиоволнами на трассах "приемник - спутник (GPS-Глонасс)".
Личный вклад автора. Автором выполнены работы по решению поставленных задач аналитическими и численными методами. Проведены работы по созданию вычислительного кластера. Разработана распределенная численная модель мезомасштабной неоднородной структуры реальной атмосферы над территорией РТ, включающей поля концентрации примесей и коэффициента преломления. Проведено моделирование и получены трехмерные ПОЛЯ мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы и ее динамика. Проведен анализ пространственно-временных вариаций мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы. Проведено численное моделирование распространения радиоволн в полученной неоднородной среде и анализ полученных результатов. Сделаны основные выводы по полученным результатам.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XI Рабочая группа "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2004; XXI ВсероссиГюкая научная конференция "Распространение радиоволн", Йошкар-Ола, Май 2005; 3-я международная конференция "Фундаментальные проблемы физики", Казань, Июнь 2005; European Aerosol
Conference 2005 (EAC 2005), Ghent, August 2005; Международная конференция "Аэрозоли и Безопасность - 2005", Обнинск, Октябрь 2005; XII Рабочая группа "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2005; XXIV Всероссийский симпозиум "Радиолокационное исследование природных сред", Санкт-Петербург, Апрель 2006; Российско-Канадский семинар "Моделирование атмосферного переноса загрязнений при террористических актах, взрывах и пожарах промышленных предприятий", Москва, Июнь 2006; Advanced atmospheric aerosol symposium, Milan, November 2006; XIII Рабочая группа "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2006; Региональная научно-практическая конференция "Картография. Навигация. Геоинформационные системы", Казань, Июнь 2007; European Aerosol Conference 2007 (EAC 2007), Salzburg, September 2007; XIV Рабочая группа "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2007; Региональная научно-практическая конференция "Геоинформационные системы. Тенденции, проблемы, решения", Казань, Июнь 2008; III Межрегиональная конференция "Промышленная экология и безопасность", Казань, Сентябрь 2008; XXII Всероссийская научная конференция "Распространение радиоволн", Сочи, Сентябрь 2008.
Автор принимал участие в качестве исполнителя в исследованиях, поддержанных грантами: РФФИ 04-05-64194, РФФИ 03-05-96211, НИОКР 09-9.5-187, госконтрактами Академии наук РТ №№ 06-6.3-13 и 09-9.5-32, "Университеты России" УР 01.01.074. Автор принимал участие в качестве научного руководителя в исследовании, поддержанном грантом молодых ученых Академии наук РТ 07-2/2008.
Работа удостоена наград: 1 место в секции радиофизика на итоговой студенческой научно-практической конференции КГУ, Казань, Май 2004; Грамота молодых ученых на XII рабочей группе "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2005; Победитель конкурса на соискание именных стипендий Мэра города Казани,
Казань, 2006; Грамота молодых ученых (1-е место) на XIV рабочей группе "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2007.
Публикации. Автором опубликовано по теме диссертации 32 работы. Из них 11 статей в научных журналах (из них 4 по списку ВАК), 4 статьи в сборниках трудов научных конференций, 17 опубликованных тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 159 страниц печатного текста, в том числе 65 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит 151 источник.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость результатов работы, изложена структура работы.
В первой главе представлен обзор современных представлений о физике атмосферы, мезомасштабных атмосферных процессах и их динамике. Приведен обзор работ и текущего положения дел в отношении актуальных направлений и методов исследований мезомасштабных атмосферных процессов, мезомасштабных пространственно-временных вариаций атмосферных параметров, их значимости в радиофизических задачах.
Показано, что реальная атмосфера является комплексным объектом,
сочетающим сложный состав и широкое разнообразие протекающих физических
процессов. Их непрерывная совместная динамика описывается нелинейными
дифференциальными уравнениями и вместе с неоднородным нестационарным
характером граничных условий формирует существенно неоднородную
нестационарную пространственно-временную структуру атмосферных параметров
в широком спектре масштабов, в частности на мезомасштабах. Наличие
существенной пространственно-временной неоднородной структуры
распространяется на поля концентраций атмосферных примесей и коэффициента преломления радиоволн.
Показано, что мезомасштабная неоднородная структура атмосферы остается недостаточно хорошо изученной в силу трудностей учета всех значимых факторов, теоретического расчета, проблематичности и стоимости экспериментальных измерений. Обоснована актуальность изучения мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы с учетом нелинейности уравнений гидротермодинамики, учетом обширного комплекса атмосферных процессов. Обоснована необходимость в методике, позволяющей получать достоверные трехмерные поля атмосферных параметров и их динамику.
Показано, что проблемы влияния мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы на характеристики радиотрасс остаются недостаточно изученными и их исследование является актуальным направлением в связи с бурным внедрением спутниковых технологий и систем связи-навигации класса земля-спутник.
В главе приведен обзор современных методов исследования атмосферы, включающих разнообразные экспериментальные методики, а также методики лабораторных и численных моделирований. Показано, что сочетание методов численного моделирования и использования данных натурных измерений позволяет решить поставленные выше задачи по исследованию мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы и ее влиянию на распространение радиоволн.
Во второй главе представлено описание базовых физических, математических, вычислительных методов и исходных данных, на основании которых создается модель мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы и проводятся исследования в следующих главах.
Представлено описание используемой в работе уникальной базы метеоданных длительных (1996-2005 г.) натурных ежеминутных измерений и характеристики аппаратуры, на которой они получены. Представлено описание и
характеристики данных реанализа о состоянии и динамике тропосферы и нижней стратосферы за 1996-2005 г.
Представлен обзор используемой в работе численной мезомасштабной нестационарной метеомодели, с описанием основных исходных уравнений гидротермодинамики. Модель позволяет учесть комплексную природу атмосферных явлений и включает параметризацию отдельных атмосферных процессов: конвективные движения, процессы приземного слоя, взаимодействие с неоднородной подстилающей поверхностью, взаимодействие с солнечным и земным (прямым и отраженным) излучением..
Приведено представление коэффициента преломления радиоволн через атмосферные параметры (приближение Дебая). Описана методика численного моделирования распространения радиоволн в неоднородной среде.
Описана методика распределенных расчетов на высокопроизводительном вычислительном кластере, необходимая для проведения данного исследования.
На основании представленных методов с применением карт рельефа и землепользования, задающих реальные физические характеристики подстилающей поверхности, создана мезомасштабная нестационарная модель реальной атмосферы над территорией РТ. Модель позволяет получить достоверную мезомасштабную неоднородную структуру атмосферных параметров и их динамику, на основании которых проводится исследование в последующих главах.
Сравнением с данными натурных измерений на сети приземных станций атмосферного мониторинга показана достоверность результатов моделирования, что позволяет говорить о достаточной степени адекватности созданной модели.
Б третьей главе изложены основные результаты по исследованию неоднородной структуры метеопараметров и примесей в атмосфере.
Получены мезомасштабная и локальная неоднородная структура метеопараметров, ряда фоновых компонент примесей (аэрозоль, HNO4, N205, HNO3, О3, S02, СО, Н202) в атмосфере над территорией РТ и" их динамика за несколько периодов, покрывающих сезонный ход 2005 г. (для метеопараметров получена также динамика за весь 1998 г.)
Получена локальная динамика распространения загрязнений при антропогенных выбросах аэрозоля и S02.
Проведен анализ мезомасштабной и локальной пространственно-временной структуры полученных результатов. Получены оценки вариаций концентрации примесей в мезомасштабной горизонтальной неоднородной структуре приземного слоя (30 м над поверхностью) атмосферы. Описаны обнаруженные закономерности: образование квазипериодических структур, анизотропия неоднородной структуры, два характерных режима локальной неоднородной структуры, суточная зависимость поведения неоднородной структуры.
Показано, что влияние квазиравнинного рельефа на горизонтальную неоднородную структуру приземного слоя атмосферы существенно в мезомасштабах, и является основной причиной формирования неоднородной структуры на локальных масштабах (до 100 км).
Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с другими исследованиями [70, 71, 72, 23, 30, 7] мезомасштабной и локальной неоднородной структуры атмосферы.
В четвертой главе изложены основные полученные результаты по исследованию мезомасштабной неоднородной структуры коэффициента преломления радиоволн в атмосфере и ее влиянию на физические характеристики
радиотрасс.
Описана методика создания модели, позволяющей получать мезомасштабное неоднородное трехмерное поле коэффициента преломления радиоволн и его динамику в реальной атмосфере.
Достоверность результатов моделирования подтверждена сравнением с данными натурных измерений на сети приземных станций атмосферного мониторинга, ч то позволяет говорить о достаточной степени адекватности созданной модели.
На базе созданной модели получена мезомасштабная динамика коэффициента преломления в атмосфере над территорией РТ за полный 1998 г. Полученные данные показывают горизонтальную, высотную, временную изменчивость мезомасштабной неоднородной структуры поля коэффициента преломления, показывают анизотропию реальной горизонтальной неоднородной структуры индекса рефракции относительно полей скорости ветра и градиента давления.
По полученным результатам проведено моделирование .распространения радиоволн сантиметрового диапазона в неоднородной атмосфере. Сравнением с распространения радиоволн в идеализированной невозмущенной атмосфере показано влияние мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы на характеристики радиотрасс с различными зенитными углами. Получены численные характеристики такого влияния, статистически значимые зависимости от высоты для различных времени суток и сезонов года.
В заключении подведены основные итоги работы.
Методы исследования атмосферы
Основным источником сведений о динамике атмосферы являются наблюдения. Первыми стали вестись наземные наблюдения скорости ветра и, температуры Г и давления/? воздуха. Были разработаны методики дистанционного исследования пограничного слоя атмосферы [135]. Наблюдения с помощью радиозондов расширяют высотный диапазон наблюдений до высот около 30 км. Распределение станций радиозондирования по земному шару неравномерно [54, 68]. Станции отсутствуют над океаническими регионами, мало их в областях с низкой плотностью населения. Широкое распространение искусственных спутников Земли (ИСЗ) значительно улучшило ситуацию с наблюдениями динамики атмосферы [50]. ИСЗ оснащают аппаратурой для измерения радио- и инфракрасного излучения атмосферы, регистрации электромагнитного излучения Солнца и звезд, прошедшего через атмосферу и рассеянного ею. Специальные методы позволяют по спутниковым наблюдениям излучения атмосферы, Солнца и звезд, определять температуру и давление атмосферы. Связь температуры и давления со скоростью ветра позволяет по регулярным наблюдениям с ИСЗ восстанавливать вертикальные профили до высот 60 км [49, 50]. ИСЗ позволили наблюдать волны в атмосфере равномерно по всему земному шару и фиксировать их чаще, чем с помощью запускаемых 4 раза в сутки радиозондов. Существуют оригинальные наземные и спутниковые методы исследования волн в атмосфере, позволяющие решать отдельные задачи динамики атмосферы Земли [49, 50].
Для изучения динамики атмосферы применяется метод лабораторного моделирования. Атмосферные движения моделируются в цилиндрических или кольцевых сосудах, ось которых отождествляется с осью вращения планеты. Вращением сосудов вокруг их оси моделируется вращение планеты. Данный метод позволяет воссоздать лишь «плоские» течения [54], хотя реальная атмосфера представляет собой сферическую оболочку. Примеры лабораторного моделирования волн в атмосфере можно найти в [75].
Ограниченность возможности реальных наблюдений и сложность лабораторного моделирования атмосферной динамики сделали крайне значимыми и важными методы численного моделирования атмосферной динамики [53, 60, 61, 108].
Метод численного моделирования атмосферных процессов [53, 60, 61, 108] непрерывно прогрессирует. Появляется множество работ посвященных моделированию отдельных атмосферных процессов и всей атмосферы целиком [24, 76, 62].
При численном моделировании поля атмосферных параметров дискретизуются для возможности представления и обработки на компьютерных вычислительных системах. Существуют различные методы дискретизации атмосферных параметров. При численном моделировании реальной атмосферы, случаев с неидеализированными граничными условиями, атмосферные параметры обычно аппроксимируются дискретным представлением в узлах трехмерной сетки [53]. Уравнения движения атмосферы позволяют получить связь между атмосферными параметрами в их дискретном представлении и рассчитать их изменение за некоторый элементарный отрезок времени. Итеративное повторение вычислений позволяет восстановить временную динамику интересуемых параметров.
Дискретное представление непрерывных атмосферных полей приводит к потере явного учета физических процессов подсеточных масштабов, приводит к падению адекватности описания динамики атмосферных процессов и к снижению достоверности результатов численного моделирования. Для решения данной проблемы необходимо увеличивать количество узлов дискретной сетки (в пределе до бесконечности) и уменьшать шаг итерации (в пределе до нуля). Количество необходимых вычислений для восстановления динамики атмосферы за некий отрезок времени пропорционально количеству узлов дискретной сетки и обратно пропорционально величине выбранного элементарного отрезка времени. Указанная зависимость приводит к необходимости высоких вычислительных затрат (в пределе к бесконечным вычислительным затратам) для адекватного численного моделирования.
Проблема вычислительных мощностей при трехмерном моделировании атмосферы стоит очень остро, и в подобных исследованиях применяют суперкомпьютеры — высокопроизводительные вычислительные системы. Все такие системы построены на основе распараллеливания вычислений, одновременных вычислений задачи на массиве вычислительных узлов.
Вычислительные мощности всегда ограничены и приходится смириться с частичной недостоверностью численного моделирования. На практике при равных вычислительных затратах адекватность численных моделей повышают разработкой более совершенных и оптимальных численных методов. В частности, применяются регулярные (координаты узлов сетки задаются с некоторым постоянным шагом) трехмерные дискретные сетки, заданные в специальном образом подобранных криволинейных координатах. Например, в качестве вертикальной координаты применяют расстояние от центра земли, расстояние от подстилающей поверхности, потенциальную температуру, давление и др. Исходные уравнения движения атмосферы приводят к формулировке в введенных криволинейных координатах и дискретизуют для использования на дискретной сетке. Правильный выбор системы криволинейных координат и переформулировка уравнений движения позволяют минимизировать влияние дискретного представления на падение достоверности моделирования. Применяются различные методы численного моделирования [96, 108, 60, 61, 53, 36]. Моделирование позволяет численно реализовать, проверить, пронаблюдать физику явления. Моделирование позволяет получить объем данных, гораздо больший, чем при дорогостоящих экспериментах или получить недоступные иными методами данные. При глобальном моделировании атмосферы прибегают к различным приближениям и упрощениям исходных уравнений гидротермодинамики, пренебрежением относительно малозначимыми на таких масштабах процессами, для снижения необходимых вычислительных мощностей. Процессы, которыми можно пренебречь при рассмотрении глобальной динамики атмосферы, могут оказывать значительное влияние на динамику в других масштабах. Это означает, что при равных "вычислительных мощностях не существует универсальной модели, одинаково оптимальной для любых исследований атмосферы. В научном сообществе применяется обширное множество различных численных моделей атмосферы.
Для получения достоверных результатов моделирования динамики реальной области атмосферы помимо адекватного разрешения атмосферных процессов важнейшим фактором является задание достоверных граничных и начальных условий. На примыкающей к земной поверхности границе необходимы условия, достоверно отражающие процессы и особенности реальной местности.
Обычно данные реальных наблюдений крайне ограничены и их недостаточно для задания начальных метеоусловий и условий на границах атмосферной области, не примыкающих к подстилающей поверхности. Для их задания используют результаты моделирования более обширной области атмосферы содержащую более узкую область как свою подобласть. В пределе, переходят к глобальному моделирование всей атмосферы.
Модель атмосферных процессов
Одной из мощных современных численных моделей атмосферы, позволяющих учитывать комплексную нестационарную природу реальной атмосферы и важнейшие атмосферные процессы, является мезомасштабная модель исследования и прогноза погоды WRF (Weather Research Model, разработанная Национальным центром атмосферных исследований США) [141, 143]. Модель WRF реализует обширный набор методов параметризации физики отдельных атмосферных процессов в виде численных схем. Модель находится в открытом доступе и в России стали появляться исследования на ее основе [62], показывающие перспективность ее применения в научно-исследовательских задачах.
Модель WRF применима для широкого спектра задач физики атмосферы в диапазоне масштабов от сотен метров до тысяч километров. Модель разработана группой, включающей Национальный Центр Атмосферных Исследований США (NCAR), Национальный Центр Прогноза Окружающей Среды (NCEP) и др. Модель поставляется в виде исходных кодов на языке программирования Fortran, которые компилируются на широком диапазоне вычислительных платформ. Модель WRF изначально рассчитана на применение в высокопроизводительных вычислительных системах, поддерживающих метод параллельных вычислений. Модель находится в непрерывном развитии и разработке, в нее добавляются новые возможности и численные схемы. На официальном сайте доступна обширная документация по модели [141, 143, 144].
В WRF реализовано несколько расчетных динамических ядер, использующих различные способы дискретизации моделируемой атмосферной области. Наиболее полным и отработанным является вариант ARW-WRF [143], который и будет использоваться далее. Модель представляет широкие возможности по трехмерному моделированию динамики метеопараметров в слое атмосферы до высоты порядка 20 км. Расчетными данными являются поля давления, температуры, скорости ветра, влажности и фазовых состояний воды (пар, вода, лед).
Ключевые свойства модели WRF: Использование негидростатических уравнений с учетом сжимаемости воздуха, кривизны земной поверхности, кориолисовых слагаемых Применение методов деления временного шага при расчетах в акустическом режиме и режиме гравитационных волн Использование методов Рунге-Кутта 2-го и 3-го порядков при интегрировании по времени Возможность численных расчетов адвекции (по горизонтали и вертикали) с точностью от 2-го до 6-го порядка Использование дискретной сетки Аракавы со смещениями (Arakawa C-grid staggering) Используется численное представление, сохраняющее скалярные потоки для прогнозируемых переменных Использование массовых огибающих поверхность вертикальных координат Шаг дискретизации в вертикальных координатах зависит от высоты (различные варианты сгущения дискретной сетки у поверхности земли) Возможность вычислений в различных системах криволинейных горизонтальных координат, отвечающих общепринятым вариантам географических проекций, с учетом возникающих масштабных множителей Обширный набор методов параметризации физики отдельных атмосферных процессов в виде численных схем. Возможность использования нескольких вложенных расчетных областей с разным пространственным разрешением и с учетом взаимного влияния Возможность одностороннего влияния при расчетах на вложенных областях. Ведутся разработки по расчету процессов переноса примесей (антропогенных и биогенных газов и аэрозолей), с учетом взаимных химических трансформаций. Подобная модификация называется WRP-CHEM [151]. На данный момент исследования атмосферы на основе WRP-CHEM в России отсутствуют, хотя данная модель представляет более обширные возможности для изучения реальной загрязненной атмосферы, и представляет большой интерес.
WRP-CHEM реализует численное интегрирование процессов переноса атмосферных примесей (аэрозоли и газы) и их химической трансформации по моделям RAD2 [132] и MADE [79], включающих в частности примеси S02, NO, NO2, NO3, СО и др. (30 классов антропогенных выбросов). Учитывается оседание примесей на подстилающую поверхность [90]. Используется параметризация биогенных выбросов по карте землепользования с использованием модели Гантера [94]. Модель позволяет проводить расчеты для произвольной пространственной системы источников (в том числе поднятых над поверхностью) выбросов с учетом зависимости их мощности от времени.
Неоднородная структура примесей
Для исследования неоднородной структуры в поле примесей при точечных антропогенных выбросах проведено моделирование распространения загрязнения при выбросе аэрозоля и S02 [29]. Ниже (рис. 26) приведены результаты моделирования распространения выброса S02 от источника постоянной мощности на территории 100x100 км с центром в городе Альметьевск (52.36 в.д., 54.90 с.ш.). На рисунке совмещены рельеф местности, поле скорости ветра, уровень концентрации загрязнителя. Моделировался источник постоянной мощности выброса 550 кг/ч, соответствующий реальному местному предприятию, составляющий около 99% выбросов S02 среди всех промышленных предприятий города Альметьевск. г. Альметьевск 01.07.2005 02:00 UТС г. Альметьевск 01.07 2005 02:00 UTC
На приведенном горизонтальном срезе прослеживается распространение примеси под воздействием воздушных течений. С удалением от источника выброса концентрация загрязнителя падает. Важным результатом исследования является формирование неоднородной структуры поля концентрации примеси, изменение с высотой средней концентрация примеси и ее пространственной неоднородной структуры. Образуется квазипериодическая неоднородная структура концентрации примеси, наиболее выраженная в области высоких концентраций. Неоднородная структура в следе выброса формируется под влиянием наложения горизонтального и вертикального переноса. Продольный горизонтальный масштаб образуемых неоднородностей - 15-25 км, нормальный горизонтальный масштаб - 4-8 км, вертикальный масштаб - 100-200 м (значительно меньше горизонтального). Эти результаты соответствуют экспериментально пространственным масштабам неоднородностей концентрации малых газовых примесей полученным по измерениям на сети станций атмосферного мониторинга в г. Альметьевск [73]. Для моделирования распространения аэрозольного загрязнения воздуха от нескольких источников выбросов в малом промышленном городе рассмотрим область размерами 15x15 км вокруг г. Альметьевск. Это позволяет провести моделирование с шагом горизонтальной дискретизации всего 300 м, что дает возможность различить сеть выбросов от нескольких более мелких городских предприятий. Перепад высот в данной локальной области составляет около 200 м. г.Альметьевск 01.01.2005 01:00 UTC г.Альметьевск 01.01.2005 01:00 UTC аэрозоль мкг/м3 аэрозоль мкг/мэ
На приведенных вертикальном и горизонтальном срезах (рис. 27, 28) прослеживается распространение аэрозольного загрязнения со временем. Из 22 заданных источников постоянной во времени мощности (мощность самого выраженного составляет 61 кг/ч) заметно проявляются 3 источника. Один из них находится на самом краю области и его выбросы в исследуемый период времени выносятся за ее пределы.
На горизонтальных срезах разных высот для одного момента времени (рис. 27) наб людается распространение аэрозоля на высоту до 70-120 м, где концентрация падает в е раз по сравнению с приземной областью. Виден изгиб следа выбросов из-за неоднородности поля скорости ветра, сформированной влиянием рельефа.
Рисунок 28 представляет вертикальный срез вдоль следа выброса и перпендикулярный к нему срез. Перпендикулярный срез обнаруживает неоднородную вертикальную структуру возмущения фоновой составляющей . аэрозольной примеси в воздухе. На продольном срезе приведена высотная структура абсолютной величины массовой концентрации аэрозоля, различается два источника выбросов. В приземном слое с удалением от поверхности земли скорость распространения примесей растет, что соответствует общепринятым представлениям, и в рассмотренном случае достигает максимума на высоте 70 м.
Динамика полей скорости ветра, влажности приводит к формированию неоднородностей атмосферных примесей. Динамика в масштабе 100x100 км, фоновые примеси: аэрозоль, HN04, N2Os, HN03. Получены поля мезомасштабной неоднородной структуры исследуемых параметров в районе г. Азнакаево. На рисунках 29 - 31 представлены некоторые из показательных результатов для динамики поля массовой концентрации аэрозоля в приземном слое. Отсчет времени ведется от 01.01.2005 00:00 UTC. Поле массовой концентрации аэрозольной примеси является более изменчивым, чем поле температуры, поэтому в качестве примера приведена динамика с шагом в 1 час. На рисунке 29 наблюдается образовавшаяся в поле массовой концентрации аэрозоля квазипериодическая неоднородная структура. Полученная неоднородная структура имеет явный анизотропный характер, но не повторяющий анизотропный характер рельефа. Отчетливо различается ее периодичность в направлении нормальном к скорости ветра, с периодом около 12-20 км. Неоднородности имеют выраженный вытянутый характер вдоль воздушного течения, вплоть до того, что имеют изгиб, соответствующий изгибу воздушных потоков. Вдоль направления ветра явной периодичности в вариации концентрации не отмечается, и длина вытянутых неоднородностей варьируется от 20 км и больше (вплоть до 80 км), ограничиваясь размерами модельной области. Из вышесказанного следует, что анизотропный характер неоднородностей вызван переносом аэрозоля воздушным течением. В течении часа от момента 418 ч к 419 ч квазипериодическая структура продолжает существовать, изменяясь (перемещаясь и изгибаясь) в соответствии с изменениями в поле скорости ветра. Абсолютная вариация массовой концентрации аэрозоля - 0.03-0.04 мкг/м, относительная - около 1.5.
Подобные явные вытянутые по направлению ветра, повторяющие изгибы локального течения, квазипериодичные в нормальном течению направлении образования регулярно наблюдаются по всему массиву модельных расчетов. В зависимости от метеоусловий эти образования сохраняются в течение длительного интервала времени вплоть до десятков часов.
Подобный анизотропный характер неоднородной структуры примесей образует своеобразный режим, является не единственный возможным, и уже через час после момента 419 ч (рис. 29) характер неоднородной структуры значительно меняется (рис. 30), образуя второй режим. На рисунке 30 наблюдается неоднородная структура поля массовой концентрации аэрозоля, но уже без явно выраженной анизотропии вдоль направления ветра. Размеры явных наблюдаемых неоднородностей варьируются в интервале 12-20 км, что повторяет результат для нормального относительно направления ветра периода описанной ранее квазипериодической структуры. Сравнение моментов 420ч. и 421ч. на рисунке 30 показывает, что неоднородная структура динамична и продолжает меняться. После этого переходного периода образуется поле неоднородностей указанных выше масштабов, которое оказывается устойчивым и сохраняется несколько часов (рис. 31), вплоть до того, что сохраняются отдельные неоднородности и их положение, несколько меняя свою форму. закрашенный контур - массовая концентрация аэрозоля, мк17м: тонкий контур - подстилающий рельеф. 100-300 м, шаг 100 м вектора - скорость ветра, максимум 6.1 м/с закрашенный контур - массовая концентрация аэрозоля, мкГ/м1 тонкий контур - подстилающий рельеф. 100-300 м, шаг 100 м вектора - скорость ветра, максимум 5 6 м/с
Видно, что неоднородная структура в определенной степени соответствует рельефу подстилающей поверхности, хотя в гораздо меньшей степени, чем поле температуры воздуха ранее. Минимум концентрации наблюдается обычно в низинах. Наблюдаются квазипериодические структуры периодов 12-20 км и размерами до 40 км. Данные значения близки к результатам, полученным для неоднородной структуры температуры воздуха. Абсолютная вариация массовой концентрации аэрозоля в данном режиме оказывается в пределах 0.04-0.06 мкг/м3, относительная в пределах 1.5-2.
Достоверность результатов моделирования
Используемая модель атмосферных процессов ранее прошла верификацию по данным метеонаблюдений, показавшую достаточную адекватность модели. Тем не менее, была проведена верификация результатов моделирования мезомасштабной неоднородной структуры коэффициента преломления на соответствие экспериментальным данным [2, 16].
Сравнение проводилось по значениям коэффициента" преломления в приземной области, полученному на основе натурных измерений температуры воздуха, атмосферного давления, парциального давления водяных паров. Следует учесть, что все замечания об ожидаемой степени соответствия модельных и эмпирических данных, высказанные в предыдущих главах при верификации результатов моделирования по метеопараметрам остаются в силе. А именно: натурные измерения ведутся на высоте 2.4 м над поверхностью, не представляют собой усреднение по соответствующей элементарной модельной ячейке, подвержены турбулентным флуктуациям, подвержены возмущениям процессами субсеточного масштаба (близость городских построек оказывает значительное влияние на скорость ветра, турбулизацию атмосферного потока, вызывает периодические затенения станций мониторинга). Указанные причины формируют определенную ожидаемую степень расхождения соответствующих рядов модельных и экспериментальных данных. Подтверждением данных тезисов служит изменчивый характер соответствия модельных и экспериментальных данных, когда значимые расхождения формируются в условиях разрывов в температурных рядах или в моменты интенсивной изменчивости направления ветра, и наблюдается очень хорошее соответствие рядов в остальное время.
Важным выводом из описанной природы расхождения рядов является ожидаемое лучшее соответствие восстановленной мезомасштабной неоднородной структуры коэффициента преломления реальным значениям при удалении от земной поверхности, когда влияние точной геометрии городских построек на атмосферные параметры значительно снижается. Данное качество модельных данных особенно ценно при проведении исследований по распространению радиоволн в атмосфере по радиотрассам, вовлекающим высотные слои атмосферы.
На рисунке 46 приведено сравнение значения коэффициента преломления по экспериментальным результатам с результатами моделирования на 2-х моделях различного размера и разрешения. Модель горизонтальных размеров 800x600 км обладает тем преимуществом, что охватывает достаточно большую площадь подстилающей поверхности, которая является одной из причиной формирования неоднородной структуры в полях метеопараметров и коэффициента преломления. Модель горизонтальных размеров 100x100 км охватывает меньшую площадь, но обладает шагом горизонтальной дискретизации 1 км, а не 10 км, что позволяет явно разрешать некоторые из субсеточных возмущений, которые не может разрешить модель в 800x600 км. Расчет и сравнение для указанных 2-х вариантов модели проведен для анализа результатов, к которым приводят различные варианты компромиссов при создании модели в условиях ограниченных вычислительных мощностей.
Несмотря на разрешение процессов и динамики меньших масштабов, модель высокого разрешения формирует временные ряды метеопараметров и коэффициента преломления в виде более гладких функций, чем модель низкого разрешения. Подобные гладкие временные ряды не типичны для экспериментальных данных. Такое поведение, по видимому, обусловлено меньшей площадью охвата моделью высокого разрешения, что не дает неоднородной структуре подстилающей поверхности сформировать неоднородную структуру столь же существенную, как в модели низкого разрешения, обладающей большим пространственным охватом.
В некоторые моменты ряд экспериментальных данных спорадическим образом пересекает ряд данных модели высокого разрешения, формируя малые отклонения рядов на малых временных окнах. В такие моменты модель высокого разрешения показывает лучшее соответствие эксперименту, чем модель низкого разрешения, в другие моменты происходит обратная ситуация. Строгой регулярности в лучшем или худшем соответствии моделей эксперименту по СКО на малых ( 12 ч) временных окнах нет, на больших окнах ( 72 ч) обе модели ведут себя схожим образом. Тем не менее, если говорить о качественном поведении модельных временных рядов, то в моменты возмущений в экспериментальных данных модель большего охвата формирует схожие возмущения, которые хоть и не совпадают с экспериментальными по точным значениям, но достаточно точно отражают их характер и ход, формируют максимумы и минимумы в те же моменты, что и экспериментальные данные, тогда как данные моделирования высокого разрешения остаются гладкими и не отражают данные особенности временной неоднородной структуры.
