Влияние горизонтально-неоднородной подстилающей поверхности на структуру пограничного слоя атмосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ

1.1 Классификация моделей пограничного слоя атмосферы.

1.1.1 Общая 3-х мерная модель

Дирдорфа.

1.1.2 Частные прикладные модели пограничного слоя атмосферы.

1.2 Модели горизонтально-однородного пограничного слоя атмосферы.

1.3 Модели горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы.

1.4 Метод Вагера-Надежиной для решения задач горизонтально-неоднородного слоя атмосферы.

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ВЕРТИКАЛЬНЫХ

ПРОФИЛЕЙ.

2.1 Постановка задачи.

2.1.1 Приборы и методы измерения характеристик пограничного слоя атмосферы.

2.1.2 Приборная база для аэрозольных исследований

2.1.3 Результаты экспериментальных исследований.

2.1.4 Климатическое описание исследуемого района.

2.2 Описание модели.

2.2.1 Исходная система уравнений.

2.2.2 Исходная система уравнений для стационарных течений.

2.2.3 Анализ уравнений исходной системы уравнений.

2.2.4 Замыкание исходной системы уравнений.

2.2.5 Учет граничных условий на нижнем и верхнем уровнях.

2.3. Численный метод решения уравнений пограничного слоя.

2.3.1 Выбор разностной схемы.

2.3.2 Построение конечно-разностных уравнений.

2.3.3 Задание начальных условий.

2.3.4 Решение системы уравнений горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы.

2.4. Описание программы.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ ХАРАКТЕРИСТИК ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

АТМОСФЕРЫ ПО МЕТОДУ ВАГЕРА

НАДЕЖИНОЙ.

3.1 .Структура пограничного слоя атмосферы в условиях динамической трансформации.

3.2.Структура пограничного слоя атмосферы в условиях изменения температуры и влажности подстилающей поверхности.

3.3 Определение уровней измерений для подготовки экспериментов.

Необходимость решать различные научные и практические задачи, связанные с проблемами влияния промышленно-хозяйственных объектов на мезоклимат окружающих территорий, с состоянием загрязнения окружающей среды, с моделированием атмосферных процессов, с исследованиями в области локального прогноза погоды и общей циркуляции атмосферы требует уточнения современных теоретических представлений о структуре горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы, а также выдвигает новые требования к точности и детализации экспериментального описания структуры пограничного слоя атмосферы в условиях изменяющихся свойств подстилающей поверхности. [1,21].

Неоднородности естественного и антропогенного происхождения-такие как осушаемые, орошаемые участки земли, водоемы суши, закрытые «хвостохранилища» обогатительных предприятий, территории, являющиеся открытыми источниками сырья для промышленных предприятий (например, оз. Селитренное Благовещенского района Алтайского края, являющееся источником мелкодисперсного сульфата натрия для предприятия Кучуксульфат) - меняют свойства подстилающей поверхности, а следовательно и структуру пограничного слоя атмосферы. В последнее время в научной литературе широко обсуждается вопрос о необходимости решения задач горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы [1,21, 28, 30,31,39].

Несмотря на определенные успехи математического и физического моделирования пограничного слоя атмосферы, единой универсальной модели пока нет, а наиболее совершенные из них настолько сложны и требуют такого количества машинного времени, что их применение практически становится нереальным. Поэтому разработано большое число частных моделей, каждая из которых удовлетворительно воспроизводит те или иные свойства пограничного слоя атмосферы [21].

Существующие методы измерения структурных характеристик флуктуаций некоторых величин (градиентный, микропульсационный, акустические, оптические), а также средства оперативного измерения (самолеты-метеолаборатории, привязные аэростаты, системы дистанционного зондирования атмосферы, допплеровские радиолокаторы, высотные метеорологические мачты, передвижные лаборатории) используются для решения многих задач пограничного слоя атмосферы, но, по различным причинам, имеют ограничения в применении. Как правило, число точек наблюдения как в направлении среднего ветра, так и в вертикальном направлении невелико, это затрудняет описание полной картины исследуемых процессов горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы [21,73,74]. В условиях отсутствия единой модели горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы, ограниченного применения методов и средств экспериментальных измерений, проблем экономического характера необходимо совместное использование численных и экспериментальных методов для планирования и проведения натурных измерений характеристик горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы.

Цель работы - исследование влияния горизонтальной неоднородности подстилающей поверхности (изменения температуры, влажности, шероховатости) на вертикальные профили метеоэлементов и параметров пограничного слоя атмосферы для планирования и постановки натурного эксперимента.

Задачи исследования - разработка методики планирования и постановки натурного эксперимента;

-создание комплекса программ для расчета вертикальных профилей метеоэлементов, концентрации примеси и параметров пограничного слоя атмосферы для планирования и постановки экспериментальных измерений в условиях изменяющихся свойств подстилающей поверхности;

-проведение модельных расчетов вертикальных профилей метеоэлементов, концентрации примеси и параметров пограничного слоя атмосферы в условиях горизонтальной неоднородности подстилающей поверхности в конкретных условиях оз. Селитренное Благовещенского района Алтайского края, - определение репрезентативных уровней экспериментальных измерений на основе модельных расчетов.

Научная новизна

- для планирования экспериментов по измерению вертикальных профилей метеоэлементов в пограничном слое атмосферы создан комплекс программ, учитывающих изменения свойств подстилающей поверхности и позволяющих рассчитать вертикальные профили метеовеличин;

- разработана методика выбора репрезентативных уровней для измерения метеовеличин пограничного слоя атмосферы на основе модельных расчетов влияния горизонтальной неоднородности- влажности, температуры и шероховатости подстилающей поверхности- на вертикальные профили метеовеличин в условиях оз. Селитренное (Благовещенский р-н Алтайского края);

Автор выносит на защиту:

1.Методику планирования и постановки натурных экспериментов по измерению вертикальных профилей метеовеличин и параметров пограничного слоя атмосферы в условиях реальных объектов.

2. Методику расчета вертикальных профилей метеовеличин и распределения примесей в пограничном слое атмосферы на основе комплекса программ, учитывающих изменения свойств подстилающей поверхности;

3. Результаты расчетов профилей метеовеличин и параметров пограничного слоя атмосферы при изменении температуры, влажности, шероховатости подстилающей поверхности на примере оз. Селитренное Благовещенского района Алтайского края.

Апробация работы

Основные результаты исследований докладывались на следующих конференциях:

Международная конференция «Физика атмосферного аэрозоля» Москва, 12-17апреля, 1999г.;

Международная конференция «Аэрозоли Сибири», Томск, 1999г.;

Международная конференция «Контроль и реабилитация окружающей среды», Томск, 2000г.;

Международная конференция «Аэрозоли Сибири», Томск, 2000г.;

VIII объединенный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Иркутск, 25-29 июня 2001г.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, трех глав, двух приложений и списка литературы из 85 наименований. Полный объем диссертации - 84 страницы основного текста, 41 рисунок, тексты 4 программ.

Заключение и выводы

В результате работы были получены следующие результаты:

- для планирования экспериментов по измерению вертикальных профилей метеоэлементов в пограничном слое атмосферы создан комплекс программ, учитывающих изменения свойств подстилающей поверхности и позволяющих рассчитать вертикальные профили метеовеличин;

- разработана методика выбора репрезентативных уровней для измерения метеовеличин пограничного слоя атмосферы на основе модельных расчетов влияния горизонтальной неоднородности - влажности, температуры и шероховатости подстилающей поверхности на вертикальные профили метеовеличин в условиях оз. Селитренное (Благовещенский р-н Алтайского края);

- выполнены модельные расчеты по прогнозированию влияния антропогенных объектов, нарушающих естественное состояние подстилающей поверхности, на структуру пограничного слоя атмосферы на примере оз. Селитреное;

- обеспечен широкий диапазон применимости программ при сохранении устойчивости расчетов, в том числе и при нарушении условия Куранта;

- осуществлен учет влияния процессов распространения тепла и влаги в атмосфере на энергию турбулентности.

1.ВагерБ.Г., Надежина Е.Д. Пограничный слойатмосферы в условиях горизонтальной неоднородности Л., Гидрометеоиздат, 1979, 134с.

2. Кароль И.Л. Введение в динамику климата Земли. Л., Гидрометеоиздат, 1988,487с.

3. Розанов Е.В., Селяков К.И. Влияние обратных связей на потоки теплового излучения в радиационно-конвективной модели атмосферы. Метеорология и гидрология, 1991, 3, с. 22-31.

4. Братсерт У.Х. Испарение в атмосферу Л. Гидрометеоиздат, 1985, 278с.

5. Шнайдман В.А., Фоскарино О.В. Моделирование пограничного слояи макротурбулентного обмена в атмосфере Л., Гидрометеоиздат, 1990, 159с.

6. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды Новосибирск Издательство "Наука" Сибирскоеотделение 1985,256с.

7. Лосев В.М. Расчет стационарных мезомасштабных полей метеоэлементов. Метеорология и гидрология, 1978, N10, с. 45-47.

8. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 448с.

9. Дубов A.C. и др. Турбулентность в растительном покрове. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 184с.

10. Ю.Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970 342с.

11. Пененко В.В., Рапута В.Ф. Некоторые модели оптимизации режима работы источников загрязнения атмосферы. Метеорология и гидрология, 1983, 2, с. 5968.12.0рленко Л.Р. Строение планетарного пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 267с.

12. Фукс H.A. Механика аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР. 1955, 476с.

13. Пененко В.В.6 Йорданов Д.Л., Алоян А.Е. Параметризация стратифицированного бароклинного планетарного пограничного слоя для численного моделирования атмосферных процессов. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1978, т. 14, N8, с. 815-823.

14. Шметер С.М. О вкладах турбулентности и упорядоченных вертикальных движений в перенос атмосферных загрязнений. Метеорология и гидрология, 1996, N3, с.20-31.

15. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука, 1982, 320с.

16. Марчук Г.И. и др. Математическое моделирование общей циркуляции атмосферы и океана. JL: Гидрометеоиздат, 1984, 320с.

17. Вагер Б.Г., Надежина Е.Д. Об изменении режима турбулентности пограничного слоя над застроенными участками поверхности. В кн.: Вопросы прикладной математики и геометрического моделирования. JL, 1973, с.25-29.

18. Владимиров С.А. Численное моделирование распространения пассивной примеси в атмосфере. Метеорология и гидрология, 1999, N7,с.22-35.

19. Надежина Е.Д. Интегральная модель для расчета эволюции характеристик пограничного слоя в условиях устойчивой стратификации.

20. Труды ГГО, 1984, вып. 483, с. 3-13.

21. Вызова H.JI. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1989, 262с.

22. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, вып. 20,- С-П., Гидрометеоиздат, 1993, 717с.

23. Почвы Алтайского края М. Изд. АНСССР 1959г. 392с.

24. Самарский А.А, Гулин A.B. Численные методы. Москва, "Наука", 1989,429с.

25. Самарский A.A., Попов Ю.Н. Разностные методы решения задач газовой динамики. М. Наука 1980, 352с.

26. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. Т.1, Москва, Мир, 1991, 500с.

27. Ресурсы поверхностных вод районов освоения целинных и залежных земель. JL: Гидрометеоиздат, 1962. Вып.У1 780с.

28. Тимофеев М.П. Метеорологический режим водоемов. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1963.

29. Монин A.C., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. 4.1, М.: Наука, 1965,520.

30. Беркович JI.B., Тарнопольский А.Г., Шнайдман В.А. Гидродинамическая модель атмосферного и океанического пограничных слоев. Метеорология игидрология, 1997, N7, с. 40-52.• • 2

31. Yamada Т. Simulations of nocturnal drainage flows by g 1 turbulence closuremodel. J.Atmos. Sei., 1983, vol. 40, pp. 91-106.

32. Дроздов Климатология . Л.:Гидрометеоиздат, 1989,487c.

33. Ашкрофт Дж., Элридж Р., Полсон Р., Уилсон Г. Программирование на Фортране 77. Москва, «Радио и связь», 1990, 271с.

34. Бютнер Э.К. Динамика приповерхностного слоя воздуха. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, 158с.

35. Динамическая метеорология /под ред. Лайхтмана/Д.Л. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, 607с.

36. Курбацкий А.Ф. Моделирование нелокального турбулентного переноса импульса и тепла.1. Н. »Наука», 19888 296с.

37. Браун P.A. Аналитические методы моделирования планетарного пограничного слоя. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, 149с.

38. Монин А.С, Теоретические основы физической гидродинамики. Л., Гидрометеоиздат, 1988, 386с.

39. Smolarkiewicz Piotr К. A Simple Positive Definite Advection Scheme with Small Implicit Diffusion. Monthly Weather Review V.l 11, March 1983, p.p. 479-486.

40. Кричак О.Г. Синоптическая метеорология. Л.:Гидрометеоиздат, 1956, 530с. 41.3верев А.С. Синоптическая метеорология. Л.:Гидрометеоиздат, 1977, 706с.

41. Бруяцкий Е.В. Турбулентные стратифицированные струйные течения. Наукова Дрика, 1986 274с.

42. A.Nema, V.Tare Atmospheric dispersion under non homogeneous and unsteady condition. Atmos. Env., 1989, V.23 N4, p.p. 851-856.

43. Вольцингер H.E., Лайхтман Д.Л., Руденко Э.П.

44. Влияние бароклинности на структуру планетарного пограничного слоя. Физика Атмосферы и Океана, N9 т.1Х, с.919-925.

45. Захарова И.М. Численное моделирование процесса образования и развития радиационного тумана. Труды ИЭМ. Вып. 9(52), 1975, с. 124-136.

46. Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат 1970, 292с.

47. Годунов С.К., Рябенький B.C. Введение в теорию разностных схем. М. Физматгиз, 1962, 340с.

48. СамохинА.Б., Самохина А.С. Фортран и вычислительные методы. М. Русина. 1994, 120с.

49. Бухтияров A.M., Малинова Ю.П., Фролов Г.Д. Практикум по программированию на Фортране. Москва «Наука», 1983, 304с.

50. Пярнпуу А. А. Программирование на алгоритмических языках. Москва «Наука», 1983, 319с.

51. Баренблатт Г.И. Подобие, автомодельность, промежуточная асимптотика. Л.: Гидрометеоиздат, 1982, 392с.

52. Китайгородский С. А. Физика взаимодействия океана и атмосферы. Л.:Гидрометеоиздат, 1970,284с.

53. Zalezak Steven Т. Fully Multidimentional Flux-Corrected Transport Algoritms for Fluids. Journal Of Computational Physics 31, 335-362, 1979.

54. Boris Lay P., Book David L. Flux-Corrected Transport. I. Shasta, A Fluid Transport Algorithm That Works. Journal Of Computational Physics 11, 38-69, 1973.

55. Boris Lay P., Book David L., Hain K. Flux-Corrected Transport. II: Generalization of the Method. Journal Of Computational Physics 18, 248-283, 1975.

56. Амиров А. Д. Метод расчета полей влажности и температуры в задаче о кучевом облаке. Физика атмосферы и океана. Т.VII N7, 1971, с.723-730.

57. Модели общей циркуляции атмосферы. Л.:Гидрометеоиздат, 1981, 347с.

58. Машкович С.А., Фоскарино О.В. Количественные характеристики макротурбулентного обмена по данным ПГЭП. Метеорология и гидрология, 1984, N4, с.102-107.

59. Монин А.С. Прогноз погоды как задача физики М.: Наука, 1069, 184с.

60. Пономарева С.М., Гаврилов А.С. Структура турбулентности в приземном слое атмосферы. Гидрометеорология. Сер.Метеорология. Обзорная информация, 1984, вып. 1. 56с.

61. Пененко В.В., Алоян А.Е. Численный метод расчета полей метеорологических элементов пограничного слоя атмосферы. Метеорология и гидрология, 1976, N6, с. 11-25.

62. Пененко В.В. Методы численого моделирования атмосферных процессов. Л.:Гидрометеоиздат, 1981,332с.

63. Степаненко С.Н., Шнайдман В.А. Сопоставление результатов обобщения экспериментальных данных и расчетов по трехпараметрической модели планетарного пограничного слоя атмосферы. Труды ГГО, 1983, вып.481, с. 144151.

64. Типовые профили температуры и скорости ветра в нижнем 300-метровом слое атмосферы. Обнинск: ВНИИГМИ. МЦД, 1986, 84с.

65. Алоян А.Е., Йорданов Д.Я., Пененко В.В. Параметризация приземного слоя с переменной высотой. Метеорология и гидрология, N1,1981,с.37-46.

66. Алоян А.Е., Абраменко В.В. Численная модель турбулентного пограничного слоя атмосферы. Новосибирск: Препринт N382, ВЦ СОАН СССР, 1982, 18с.

67. Белоусов C.JL, Беркович J1.B. и др. Оперативная модель численного прогноза метеоэлементов по Северному полушарию. Труды Гидрометцентра СССР, 1978, вып.212, с.3-13.

68. Бондаренко В.Н., Шнайдман В. А. Количественое описание приземного подслоя в модели планетарного пограничного слоя атмосферы. Труды ИЭМ, 1981, вып. 27(100) с.12-22.

69. Йорданов Д.Л. О высоте приземного воздушного слоя. Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1977, т.З, N7, с.721-728.

70. Кибель И.А. Избранные работы по динамической метеорологии. Л.:Гидрометеоиздат, 1984, 279с.

71. R.W.MacCormack. A Numerical Method for Solving the Equation of Compressible Viscous Flow. AIAA JOURNAL Vol.20 N0.9 September 1982 pp.1275-1281.

72. P.M. Бим, Р.Ф. Уорминг. Неявная факторизованная разностная схема для уравнений Навье-Стокса течения сжимаемого газа. AIAA JOURNAL Vol. 16 N0.4 1978 рр.393-401.

73. Миронов В.Л. Распространение лазерного пучка в турбулентной атмосфере. «Наука», Новосибирск, 1981,246с.

74. Беленький М.С. и др. Оптическое зондирование атмосферной турбулентности. «Наука», Новосибирск, 1986, 90с.75.3инченко Г.С., Постнова И.С., Безуглова H.H., Суторихин И.А. Особенности климатических характеристик Благовещенского района Алтайского края.

75. Безуглова H.H., Суторихин И.А. Устойчивость решения задач горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы. Сборник материалов международной конференции «Аэрозоли Сибири», Ин-т оптики атмосферы, Изд-во СО РАН, Томск, 2000, с.28.

76. Безуглова Н.Н. Модели пограничного слоя. Экологический анализ региона. Сборник 2000. Изд-во СО РАН, Новосибирск, 2000, с. 162-175.

77. Безуглова Н.Н., Суторихин И.А. Влияние изменения степени увлажнения и параметра подстилающей поверхности на структуру пограничного слоя. Оптика атмосферы и океана, 2001, N10, с.1031-1035.

78. Bezuglova N.N., Sukovatov Yu. A., Sutorikhin I .A. Numerical model of the atmospheric boundary layer with surface inhomogeneti. VII Joint International Symposium "Atmospheric and ocean. Atmospheric physics" Tomsk, IAO SB RAS, 2001. P. 258.