Введение к работе
з
Актуальность работы. Развитие математического аппарата для исследования конвекции начато еще в начале века работами Дж. Буссинеска, Г. Бенара, Лорда Релея. К основополагающим исследованиям по теории конвекции следует отнести также работы Л.Н. Гутмана, Г.С. Голицина, Дж.К. Вэтчело-ра, Ю. Огуры, Дж.В. Дирдорфа, Г.Л. Куо, Н.И. Вульфсона, Л.Т. Матвеева, Н.П. Мазина, СМ. Шметера. Существенное продвижение теория конвекции получила в работах Е.М. Лоренца, который ввел понятие странного аттрактора, оказавшееся впоследствии плодотворным применительно к разработке аппарата нелинейной механики, с такими фундаментальными и неоднозначно трактуемым понятиями, как хаос и порядок, де-терменистский и статистический метод исследований, размерность аттрактора, фрактальные свойства и др. Также следует выделить исследователей, занимающихся теорией конвективной турбулентности: это М.А. Гольдштик, А.Ф. Курбацкий. В.Н. Лыкосов в нашей стране и большое число исследователей за рубежом.
Не меньший интерес к конвекции связан с решением многих важных прикладных задач; применительно к атмосфере это прежде всего учет конвекции в моделях общей циркуляции атмосеры (МОЦА). Такой учет крайне необходим, т. к. именно конвекция, являясь основным поставщиком тепла, влаги и примесей от подстилающей поверхности в атмосферу, во многом определяет погоду и климат. Однако возможен лишь упрощенный параметрический учет конвекции в МОЦА, прогноза погоды и теории климата, учитывающий, однако, основные свойства конвективного переноса. Основопологающихгл в
создании таких параметризаций следует считать работы Дж. Чарни, А. Элиассена, Г.Л. Куо, А. Аракавы, В. Шуберта, Дж. Курихары, А. Бетса, М. Тидке. Однако пока ни одна из современных параметризаций конвективной облачности не является удовлетворительной и основная причина этого -отсуствие достаточно точной и одновременно простой модели облачной ячейки, которую можно было бы поставить в основу параметризаций.
Большое познавательное и практическое значение имеет построение моделей, воспроизводящих различные типы атмосферных конвективных образований: термиков, конвективных облаков различных типов, в том числе ливневых и градовых (Б.А. Ашабоков, Х.Х. Калажоков, Р.С. Пастушков, Г.А.Робиташвили, В.И. Хворостьянов), а также моделей, воспроизводящих ансамбли, состоящие из большого количества термиков и конвективных облаков. Практический интерес к таким моделям связан прежде всего с активными воздействиями на процессы осадкообразования, практикуемые в некоторых странах, в том числе и в России. До сих пор нет понимания механизма связей с конвекцией таких особо опасных явлений, как смерчи, торнадо, тропические циклоны. Выявление этого механизма - одна из фундаментальных задач науки.
Приведенный перечень фундаментальных и прикладных задач, связанных с конвекцией, охватывает лишь круг проблем, рассматриваемых в данной работе, и ни в коей мере не претендует на полноту. Дан он для того, чтобы четче определить актуальность диссертации.
Цель работы. Цель диссертационной работы заключается в разработке иерархии моделей различной степени сложности, аналитических, полуаналитических и численных для объясне-
ния некоторых важных особенностей механизма атмосферной конвекции и ее связи с такими особо опасными явлениями, как торнадо и тропические циклоны, а также создание аппарата для построения процедур параметризации конвекции различных типов. Цель построения достаточно физически богатых численных моделей - продемонстрировать многообразие форм проявления атмосферной конвекции и показать способность теории адекватно отображать эти процессы (термики, конвективные облака различных типов, смерчи, торнадо), а также верификация процедур параметризации конвективной облачности. Назначение упрощенных аналитических и полуаналитических моделей - это, во-первых, наглядное объяснение некоторых важных сторон механизма атмосферной конвекции: имеется в виду качественное объяснение характерных размеров конвективных ячеек различных типов, времени их существования, неупорядоченного и квазиупорядоченного расположения конвективных ячеек в облачных ансаблях, а также качественное объяснение связи конвекции с такими особо опасными явлениями, как смерчи и торнадо. Во-вторых, использование аналитических и полуаналитических моделей для посроения процедур параметризации конвекции различных типов.
Научная новизна работы. Предложенная в диссертации вихреразрешающая модель является одной из первых в нашей стране моделью, воспроизводящей почти весь спектр атмосферных конвективных ячеек, от терминов размером несколько десятков метров, до ливневых облаков с вертикальными размерами более 10 км. Новыми на момент публикации являются все упрощенные, аналитические и численно аналитические модели, а также основные результаты и параметризации, полученные с помощью этих моделей.
Практическая ценность работы. Разработка численной модели, воспроизводящей ансамбль, состоящий из терми-ков и облаков различных типов, финансировалась Госкомги-дрометом для выработки методики воздействий на градовые процессы и на облачные ансамбли с целью регулирования осадков в засушливых районах СССР. Результаты дисертационной работы применялась в следующих темах планов НИР и ОКР Госкомгидромета: 1.08 в.02 раздел 2 "Разработать теорию сухой и влажной мезомасштабной конвекции в атмосфере земли с приложениями к задачам локального прогноза погоды, прогноза распространения примеси и построения процедур параметризации"; III 19.01 "Разработать рекомендации по методике активных воздействий на облака для планирования работ по регулированию осадков на основе численного моделирования процессов облако и осадкообразования".
Разработанные в диссертации упрощенные модели вращающихся конвективных ячеек, применялись в хоздоговорных работах, выполненных совместно с ИВМ РАН по оценке возможности экологических катастроф в случае прохождения смерчей разной интенсивности над бассейнами охладителями двух кон-кректных атомных элекростанций.
Разработанные в диссертации упрощенные модели могут быть использованы в МОЦА для параметризации сухой и влажной конвекции, а также для объяснения некоторых особенностей конвекции в вязких жидкостях. Кроме того, в работе полученны новые результаты, которые увеличевает наше понимание конвекции, что в последствии может дать практический выход. Выполнение работ поддерживалось РФФИ и фондом Сороса.
Публикации результатов диссертации. По теме дис-
сертации опубликовано 34 научные работы и 2 отчета, основные результаты опубликованы в 22 статьях.
Личный вклад автора. Основные идеи и постановка задач в совместных работах пренадлежат автору, за исключением работ, выполненных в соавторстве с П. Ю. Пушистовым и с С. М. Кононенко, в которых вклад авторов считаю равным.
Аппробация работы. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, докладывались на семинарах ВЦ СО РАН, Институтов Теплофизики и Гидродинамики СО РАН, ИВМ РАН, ГОИН РАН; ГМЦ, ГГО, ЦАО, ИЭМ и СибНИИ Гос-комгидромета, Института Гидрологии и Метеорологии Болгарской АН. На всех Всесоюзных конференциях по физике конвективных облаков и активных воздействий, на всесоюзных ко-неренциях, организуемых Радиационным клубом в 1983 и 1987 годах, на всесоюзных конференциях по програме "РАЗРЕЗЫ" в 1988 и 1990 годах, на Международной конференции по активным воздествиям на метеорологические процессы (Киев, 1986 год).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, списка литературы из 127 наименований, содержит 167 страниц печатного текста, 20 рисунков и 1 таблицу.