Введение к работе
Актуальность работы. Параметризация микрофизических процессов эволюции облаков и осадков, неизбежная в гидродинамических моделях атмосферы как прогностической, так и исследовательской направленности, позволяет приближенно описывать взаимные превращения различных видов атмосферной воды (пар, облака, осадки) и процессы формирования осадков. Переход к микрофизической параметризации, включающей как капельную, так и кристаллическую фазы воды облаков и осадков, позволяет прогнозировать, кроме того, важный элемент погоды - фазовый состав осадков. Включение в модели гидродинамического прогноза погоды такого рода параметризации микрофизических процессов может не только повысить качество прогноза этих метеоэлементов, но и положительно сказаться на результатах моделирования в целом.
Разработка указанных параметризаций и их тестирование могут базироваться на результатах численных экспериментов со специфическими атмосферными моделями, предназначенными для сравнительного анализа влияния различных параметризуемых механизмов или для исследования каких-либо других вьщеленных проблем. Постановка задачи в таких моделях и способы ее решения могут заметно отличаться от используемых в полных прогностических моделях, для модернизации которых, собственно говоря, и производится указанная работа. В данной диссертации в качестве такой экспериментальной модели выступает двумерная, требующая довольно небольших вычислительных ресурсов модель, сочетающая современный подход к параметризации процессов атмосферной микрофизики и процессов передачи тепла.
Цель и задачи работы. Цель работы - разработать на базе современных
представлений эффективную схему параметризации микрофизических процессов и методологию включения неупрощенного уравнения притока тепла для использования в моделях гидродинамического прогноза погоды.
Для достижения поставленных целей в рамках данной работы решались следующие задачи:
создание версии параметризации микрофизических процессов эволюции осадков капельной и кристаллической фаз с включением зависимости аэродинамических характеристик кристаллических гидрометеоров от температуры и с применением уточненного метода аппроксимации испарения (возгонки, сублимационного роста) частиц осадков на основе последних разработок в области микрофизических параметризаций для целей гидродинамического прогноза погоды;
создание двумерной численной модели атмосферы на базе уравнений глубокой конвекции с неупрощенным уравнением притока тепла, важной частью которой является абсолютно устойчивая конечно-разностная схема второго порядка аппроксимации для оператора адвекции, применимая в случае среды, компоненты которой имеют различные скорости движения;
сопоставление результатов применения разработанной микрофизической параметризации и неупрощенного уравнения притока тепла с результатами использования традиционных методов и выводы о предпочтительности использования того или иного подхода.
Научная новизна и практическая ценность. Использование в гидродинамической модели атмосферы неупрощенного уравнения притока тепла уточняет описание процессов теплопередачи и позволяет исследовать вопрос о приемлемости традиционных упрощений этого уравнения. При применении этого подхода возможно аппроксимировать эволюцию капельной и кристаллической облачности без привлечения специальных параметризаций. Кроме того указанный подход: 1) снимает необходимость конструирования квазиконсервативных величин, сохраняющихся только при выполнении определенных гипотез о состоянии атмосферы; 2) дает возможность построения унифицированного
(пригодного при любых значениях атмосферных параметров) численного алгоритма решения системы уравнений модели; 3) позволяет использовать в адиабатическом приближении в качестве инварианта энтропия системы сухой воздух - водяной пар - капельный и кристаллический конденсат облаков и осадков.
Использование метода «предиктор-корректор» позволяет построить схему второго порядка аппроксимации оператора адвекции на его решениях, в том числе и для уравнения, относящегося к среде с разными скоростями адвекции ее компонент. Построенная схема является абсолютно устойчивой в двумерной постановке, что повышает устойчивость численного решения всей задачи. Это свойство особенно полезно в задачах исследовательского плана, когда априори не известно, какие скорости будут генерироваться моделью.
Параметризация микрофизических процессов с включением капельной и кристаллической фаз облачности и осадков описывает процессы эволюции атмосферной воды более корректно по сравнению с параметризациями без учета кристаллической фазы и позволяет прогнозировать фазовый состав осадков. Подход, когда аэродинамические характеристики кристаллических гидрометеоров зависят от температуры (переменной, прогнозируемой моделью величины), точнее аппроксимирует спектральные характеристики гидрометеоров, существующих в различных диапазонах температур, и скорости протекания микрофизических процессов с участием кристаллических осадков. Уточненный по сравнению с традиционно используемым в микрофизических параметризациях метод расчета скорости испарения (возгонки, сублимационного роста) частиц гидрометеоров положительно сказывается на прогнозе интегральных характеристик поля осадков (интенсивность и накопленная сумма на поверхности земли).
Разработанная гидродинамическая модель в качестве модели высокого разрешения может быть использована как в исследовательских целях при создании и тестировании параметризаций некоторых атмосферных процессов, так и в целях локального прогноза погоды, когда начальные и граничные условия и фоновые величины, соответствующие краевой задаче, определяются результатами расчетов регионального или мезомасштабного прогноза. Блок микрофизической параметризации, отлаженный и протестированный, полностью подготовлен для включения в модель гидродинамического прогноза погоды.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на Четвертой и Пятой международных летний школах по метеорологии (г. Кривая - Бачка Топола, Федеративная Республика Югославия, сентябрь 1997 г., август - сентябрь 1998 г.), организованных Федеральным Гидрометеорологическим институтом ФРЮ при участии ВМО, а также на заседаниях семинара по краткосрочным и среднесрочным прогнозам погоды Гидрометцентра России.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Общий объем 141 страница, включая 2 приложения, 69 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 64 названия.
