Введение к работе
~* Актуальность работы. Количественное описание атмосферных процессов с учегом многообразия фиаических факторов и механизмов их взаимодействия осуществляемся с помощью методов моделирования. Одним из направлений исследований физики атмосферы, где с успехом используется моделирование, является количественное описание структуры пограничного слоя атмосферы (ПСА). Построение физически обоснованной, экспериментально подтвержденной, экономичной в вычислительном отношении модели пограничного слоя позволяет осуществить параметризацию эффектов ПСА в современных оперативных численных схемах прогноза и разработать методы решения прикладных задач для обслуживания народного хозяйства и охраны окружающей среды.
В настоящее время существуют несколько подходов к построению моделей пограничного слоя, используемых для решения широкого спектра прикладных задач. Среди них выделим два основных направления :
-
модели, основанные на ,.К - теории" замыкания с привлечением уравнений баланса кинетической турбулентной энергии, скорости диссипации и характерного размера турбулентных вихрей ;
-
модели высокого уровня замыкания, в которых использованы уравнения для высших-моментов пульсаций метеорологических величин.
Несомненно, что модели высокого уровня замыкания позволяют более полно описать физические процессы. Однако, потенциальные возможности «К- теории" .турбулентности также далеко не исчерпаны. Модели пограничного слоя, основанные на «К - теории", в которых замыкание осуществлено с помощью уравнений баланса кинетической энергии турбулентности, скорости диссипации, а в приземном подслое для количественного описания вертикального распределения метеорологических величин использована теория подобия и размерностей Монина-Обухова, с успехом могут быть применены для решения задач учета эффектов ПСА при моделировании крупномасштабных атмосферных процессов, восстановления вертикальных профилей метеовеличин и параметров турбулентности в нижней части атмосферы по данным объективного анализа и гидродинамического прогноза на основных изобарических поверхностях,
определения входной информации в задаче рассеяния промышленных примесей. Актуальность решения перечисленных научно-прикладных задач несомненна. Необходимость их решения определяет цель выполненного исследования.
Целью диссертации является построение физико-математической модели стратифицированного бароклинного пограничного слоя атмосферы на основе замкнутой системы уравнений гидротермодинамики, разработка методики параметризации аффектов ПСА и горизонтального турбулентного обмена в численных схемах гидродинамического прогноза, создание методов определения характеристик внутренней структуры ПСА по диагностической и прогностической аэрометеорологической информации.
Научная новизна и основные результаты. Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке методов количественного описания структуры стратифицированного бароклинного пограничного слоя, параметризации эффектов ПСА и горизонтального турбулентного обмена при моделировании крупномасштабных атмосферных процессов, создании комплекса вычислительных алгоритмов и программ решения прикладных задач физики нижнего слоя атмосферы.
Основные новые научные результаты, представляющие решение научной проблемы - моделирование внутренней структуры пограничного слоя атмосферы и параметризация эффектов турбулентного обмена в численных схемах гидродинамического прогноза - можно сформулировать следующим образом.
-
Построена физико-математическая модель, учитывающая основные процессы в пограничном слое и подтвержденная экспери-метальными данными.
-
Разработана методика параметризации эффектов ПСА в задачах гидродинамического прогноза погоды, с помощью которой по данным ПГЭП получено распределение интегральных характеристик ПСА для широкого набора термодинамических ситуаций.
-
Сконструирован вычислительный алгоритм количественного описания внутренней структуры ПСА по данным объективного анализа, радиозондирования, измерений на высотных метеорологических мачтах и получены количественные характеристики ПСА для широкого диапазона внешних определяющих параметров.
-
Получено пространственное распределение коэффициента
горизонтального макротурбулентного обмена ( Ks ) для периодов специальных наблюдений ПГЭП по северному полушарию, сформулированы рекомендации по расчету Hs в численных схемах прогноза.
-
Показано улучиэкие качества прогноза геопотенциала, температуры и ветра на основных изобарических поверхностях с помощью численных схем ГМЦ СССР и САШИ с использованием разработанной методики параметризации эффектов ПСА, применимость предложенного метода восстановления детальных вертикальных профилей прогностических значений метеовеличин и параметров турбулентности в нижнем двухкилометровом слое атмосферы.
-
С использованием предложенной модели стратифицированного бароклинного ПСА разработаны методы количественной оценки вертикальных движений на верхней границе ПСА и в свободной атмосфере, восстановления вертикальных профилей метеовеличин и параметров турбулентности по данным измерений метеостанций, моделирования взаимодействующих океанского и атмосферного слоев.
-
Построена модель пограничного Ьлоя над неоднородней подстилающей поверхностью и выполнено количественное описание циркуляционного, термического и турбулентного режимов над городской застройкой.
Практическая значимость. Предложенный метод количественного описания внутренней структуры ПСА базируется на стандартной аэрометеорологической информации, что позволяет осуществить его внедрение в численные схемы гидродинамического прогноза и использовать при оценке степени загрязнения воздушного бассейна промышленными примесями. Результаты диссертационной работы являются разделами тем 1.02а.01 ^Усовершенствовать гидродинамическую модель прогноза по северному полушария полей геопотенциала, температуры и ветра на сроки до 3 суток, влажности на 24 часа" (1985 - 1988 г г.), I.2a.I и 1.2в.22 -Развитие оперативных методов прогноза основных метеовеличин в свободной атмосфере и пограничном слое на основе усовершенствованных гид-родинамических моделей" (1989 - 1990гг.); У.28.13 «Разработать методику комплексного исследования загрязнения воздушного бассейна г. Москвы с использованием данных дистанционного .космического
зондирования" ( 1986 - 1990гг) плана НИР Госкомгидромета.
Полученные результаты использованы в курсе лекций по динамической метеорологии ь Одесском гидрометеорологическом институте и вошли в учебник по численным методам прогноза.
Обоснованность и достоверность полученных результатов подт тверждаются тем, что в разработанной модели учтены основные физические механизмы формирования стратифицированного бароклин-ного пограничного слоя атмосферы, а также согласованием расчетных величин с данными измерений на высотной метеорологической башне (г.Обнинск), полигонных наблюдений (ФРГ), радиозондирования (п. Воейково и Долгопрудный), улучшением качества прогнозов при использовании разработанной методики параметризации в численных схемах ГМЦ СССР и САНИИ.
Апробация работы. Результаты выполненного исследования докладывались на Всесоюзных' конференциях по авиационной метеорологии (Москва, 1982г, 1986г, Суздаль, 1990г); на Всесоюзном симпозиуме по математическому моделированию атмосферной конвекции (Долгорудный, 1986г), на Всесоюзном семинаре по взаимодействию пограничных слоев атмосферы и океана (Ленинград, 1987г), на Всесоюзных конференциях по программе пРазрезы" (Одесса, 1984г, 1989г), на Всесоюзной конференции по интерпретации гидродинамических схем прогноза (Нальчик, 1989г), на Всесоюзном совещании по оценке чувствительности моделей (Москва, 1989г), на Международной конференции по загрязнению атмосферы (Ленинград, 1986г), на Международных конференциях Комиссии АН социалистических стран по планетарной геофизике (Ереван, 1988г, Піопрон, Венгрия, 1989г). Полностью работа излагалась на научных семинарах Гидрометцентра СССР (г.Москва), Главной геофизической обсерватории (г.Ленинград), Гидрометеорологического института (г.Одесса).
Основное содержание диссертации представлено в монографии и 32 статьях. В публикациях, выполенных в соавторстве, диссертантом осуществлена постановка задач, разработаны методы решения, выполнен анализ полученных результатов.
Структура диссертации. Диссертация общим объемом 346 страниц машинописного текста состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 158 источников, и приложения, В диссертации имеются 41 рисунок и 62 таблицы.
