Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Параметризационный метод расчета составлюящих теплового баланса подстилающей поверхности

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Параметризационный метод расчета составлюящих теплового баланса подстилающей поверхности"

ОДЕССКИЙ ГИДРОЮТВОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

1ЫАВ0ГК Колли Лроспер

УДК 551.551

НАРАМЕГРИЗадЮШШ МЕТОД РАСЧЕТА СОСТАВЛЯЮЩИХ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук '

Одесса - 19Э1

Работа'выполнена в Одесском гидрометеорологическом институте

Научный руководитель - кандидат географических наук

Волошин В.Г.

Официальные оппоненты - доктор географических наук х Берлянд Т.Г.

' кандидат физико-математических . наук Казаков А.Л.

п * ^

Ведущая организация - Украинский региональный' ' научно-исследовательский

гидрометеорологический институт Госкомгидромета.

Защита состоится " 3" июгя 1991 г. в 10 часов на-заседании специализированного совета К 066.04.01 в Одесском гидрометеорологическом институте по адресу: 270016, г. Одесса, ■ ул. Львовская, 15, 0ГШ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Одесского гидрометеорологического института. Отзывы и замечания в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу.

. Автореферат разослан " " ьсно И й- 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета, канд. геогр. наук

Н.С, Лобода

ОНДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование процессов энерго- и мас-сообмена в приземном слое атмосферы вызывает в последние годы большой интерес. Это связано с необходимостью учета физических процессов, проходящих в пограничном слое атмосферы (ПСА) вообще и в приземном слое (ПС) в отдельности.

Известно, что турбулентный режим приз емкого слоя формируется под влиянием реда метеорологических факторов и особенностей подстилавшей поверхности. Роль поверхности в перераспределении энергии настолько велика, что в зависимости от ее свойств формируются погодные л климатические особенности в'различных пространственных и временных масштабах. Тепловой баланс, подстилающей поверхности исследован достаточно подробно и в этом-направлении выполнен ряд фундаментальных работ (Будыко М.И., Берлшд Т.Г., Константинов д.р. и др.).

Для оценки составляющих теплового баланса широко приме- . няются градиентные методы. В этих методах, турбулентные потоки тепла, влаги и количества движения определяются по градиента^ соответствующих величин в приземном слое атмосферы. Однако небольшая сеть тепяобалансовых станций ограничивает широкое при- " менение этих методов для изучения теплового баланса по пространству и времени. Предпринимались некоторые попытки определения турбулентных потоков по оперативной метеорологической информации. В этих работах либо использовались статистические связи между внутренними и внешними параметрами, установленные , с помощью материалов градиентных наблюдений, либо грубая ап-проксшация для отношения Еоуэна. Однако в силу своей региональ-ности не нашли широкого применения. Все вышесказанное и определило необходимость построения схемы параметризации приземно- _ го слоя атмосферы с входными параметрами, являющимися обычными-сетевыми метеорологическими наблюдениями. Такая схема метет найти широкое применение при изучении теплового баланса при отсутствии градиентных наблюдений. Это особенно важно для территории Гвинеи, где отсутствует сеть тепяобалансовых наблюдений.

Цель и задачи исследования. Целью работы является построение схемы расчета потоков тепла и влаги лько на основе сетевых метеорологических наблюдений. Для ре',, .займи псста&тенной задачи в диссертационной работе выполнено:

1) разработан новый метод (названный параметризационным) определения составляющих теплового баланса на основе использования в качестве входной информации только оперативных метеорологических наблюдений;

2) разработана схема определения турбулентных характеристик приземного слоя и параметра устойчивости по стандартным метеорологическим наблюдениям;

3) сопоставлены результаты косвенных расчетов составляющих теплового баланса поверхности с результатами градиентных, пуль-сационных и теплобалансовых измерений;

4) проведено исследование распределения составляющих тентового баланса по территории Гвинеи.

Методика исследования. В рамках поставленной задачи, система уравнений для приземного слоя строится на основе теории подо- '. бия Конина-Обухова. Для замыкания использованы дополнительные зависимости универсальных функций профилей метеоэлементов от стратификации, вытекающие из полуэмпирической теории. В качестве граничного условия выбран уровень шероховатости и привлекалось уравнение теплового баланса для нахождения температуры подстилающей поверхности. Возникающие в системе неизвестные члены уравнения определялись расчетными способами: радиационный баланс -по известным расчетным методам, поток тепла в почву - из решения " уравнения теплопроводности. Кроме того, при определении потока влаги привлекалось еще уравнение потока влаги в почве для расчета влажности почвы. Замкнутая система решается методом итерации.

Научная новизна. В работе предложена схема параметризации приземного слоя на основе оперативной метеорологической информации, которая описывает основные процессы энергообмена в приземном слое и учитывает почти все основные факторы, влияющие на турбулентный режим. На основе этой схемы впервые построен простой оперативный метод расчета всех составляющих теплового баланса.поверхности суши, открывающей новые широкие возможности обработки массовых метеорологических наблюдений. Программа расчета может быть применена на любых ПЭВМ.

В схеме, кроме метеорологических параметров учитываются тепдофизические характеристики, влажность и другие свойства почвы, а также характеристики растительного покрова.

С помощью численных экспериментов получены количественные

оценки турбулентных характеристик приземного слоя при разлйчЛж метеорологических условиях и выявлены влияния свойств поверхности (шероховатости, типа почвы, растительного покрова) на турбулентный режим. •

Практическая ценность. Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы как в теоретических, так и в прикладных работах, а именно:

- для оценки потока явного и скрытого тепла в ячейках МОДА;

- при климатических расчетах пространственно-временной изменчивости всех составляющих теплового баланса;

- при минрометеорологических исследованиях отдельных, ланд- . шафтов, испарения на орошаемых участках и пр.

Достоинство метода заключается в том, что, используя обычные метеорологические наблюдения, можно получить рмогие сложные параметры приземного слоя. Достоинство метода основано также на. том, что мы используем известные, хорошо апробированные ранее формулы и классическую теории подобия приземного слоя, на. базе которых и построен метод.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на отчетно-научных конференциях ОГМИ (1989, 1990, 1991 гг.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, , четырех глав и выводов. Общий объем работы составляет 190 страниц, в том числе 38 таблиц и 33 рисунка. Список литературы включает 130 раббт (из них 42 работы зарубежных аиоров).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы диссерта-" ционной работы, определяются ее цель, задачи, научная новизна; практическая значимость, излагается краткое сод екание работы. .

Б первой главе содержится краткий обзор моделей пркземно£о слоя атмосферы и методов его параметризации.

В первом параграфе этой главы анализируются основные поло- ' кения процесса взаимодействия приземного слоя воздуха и подстилающей поверхности. .

Во втором параграфе рассмотрены методы расчета составляющих радиационного баланса при ясном-небе л с учетом наличия облачности и фактора мутности атмосферы.

В третьем параграфе анализируются современные методы расчета составляющих теплового баланса, потоков тепла и штаги. Здесь

кратко изложены основные классические методы расчета составляющих теплового баланса.

Содержание главы посг роено таким образом, что на основе критического анализа современных подходов в определении составляющих теплового баланса сделан шбор наиболее достоверных соотношений, методов,аппроксимаций, которые и легли в.основу расчетт ного алгоритма параметризационного метода.

Во второй главе из л ожени теоретические основы метода расчета приземных турбулентных потоков. Этот метод не требует произ-

• водства дополнительных наблюдений, кроме тех, которые проводят сетевые метеорологические станции.

- Ядром всей расчетной схемы есть закон сохранения энергии, записанный в виде уравнения теплового баланса (УТБ) поверхности, а именно

где 0„ - суммарная радиация; £„ и ^ - длинноволновое излучение атмосферы и поверхности соответственно; В - поток тепла в почву; Н п /.£ _ турбулентные потоки тепла и влаги соответственно.

Согласно условиям задачи уравнение должно быть решено только на основа использования следующей метеорологической информа-

• ции: географических координат местности; срока наблюдения; температуры (5) и влажности воздуха ("/), измеренных на высоте 2 м (метеобудка); скорости ветра (У), измеренной на уровне флюгера 10 м; количества и формы облачности; метеорологической дальности видимости. К этим стандартным метеорологическим характеристикам необходимо добавить некоторые параметры поверхности, а именно: альбедо и шероховатость поверхности; влажность 20 см слоя почвы.

Видно, что все входные величины не содержат ни сведений о характере термической устойчивости ПС, ни сведений о турбулентном режиме слоя воздуха, примыкающего к подстилающей поверхности. Все это создает достаточно сложную задачу и решение становится возможным только в том случае, если система уравнений является замкнутой.

'Уравнение (I) содержит два неизвестных параметра. Первый -это температура тдстилазпцей поверхности - Ъ, входящая как определяющая величина в потоки , б, И и 16, и второй параметр -

?

устойчивости (стратификации) - jE , описывающий степей турбулентного обмена в приземном слое, а следовательно, интенсивность массо-, тепло-влагопереноса.

Решение УТБ, при наличии только перечисленных входных па- • раметров возможно при следующих условиях: I) параметризации радиационных потоков Qf/ и Еа известными эмпирическими соотношениями; 2) постановки граничных условий для влажности на поверхности и 2) определения неизвестных 7$ и^- путем замыкания УТБ уравнением баланса кинетической энергии турбулентности,_записанного в виде

%-%-% =0 (2). '

где ЧЬ vi % - безразмерные функции для скорости потока и диссипации кинетической энергии.

Ь этом случае система уравнений является замкнутой и может бьггь разрешена относительно двух неизвестных.

Совместное решение (I) и (2) проводится численно. Исполь-. зуется процедура "сходящихся" итераций по "Ц и , при сохранении балансов энергии на поверхности и кинетической энергии турбулентности.. Расчеты составляющих проводятся по двум схемам:

1. Метод итерации по "7$ и Ц . Предварительно рассчитываются Qn и fit и далее по заданным начальным значениям безразмерных градиентов для скорости потока и температуры Чи и Чн итерация-,-ми определяется 7s с шагом 0,01 0 с проверкой на каждом шаге условия замыкания баланса тепла на поверхности, т.е. на каждом шаге вычисляются,- динамическая скорость U* , Et, Ь , Н , /.£ Н •

. После "сходимости" условия теплового баланса рассчитывают-« -ся вновь безразмерные градиенты скорости и температуры % и % и проверяется условие баланса кинетической энерп:в случае его невыполнения процесс счета повторяется с новыми значениями % и % до тех пор, пока разность параметра устойчивости ^ для двух последовательных шагов не превышает I % самой величины.

2. Метод итераций по Ts и и . После расчета QH и Е» задаются начальные значения Чч = Чн r 1 . соответствующие нейтральной стратификации. Счет начинается со скорости ветра 15 м/с

и все итерационные процедуры повторяются для скоростей u+i ~ ' Ui=c,5H прекращается, когда скорость ветра достигнет заданного входного значения.

При расчете по обоим способам на каждом шаге по т4 « т.е. через 0,01 0 проверяется условие замыкания УТБ

<3)

.которое также определяет направление итерационных процедур.

Введение этого критерия позволяет праыльно соотнести между собой все энергетические потоки на поверхности. Поэтому при условии точных оценок Я-В найти достаточно надежно Н+ /_£ • Следовательно, надежность определения турбулентных потоков зависит как от точности оценки радиационных потоков, так и параметризации физических взаимосвязей, определяющих условие замыкания уравнения теплового баланса.

Алгоритм метода основан на использовании следующих- формул:

1. Суммарная радиация

ьс Л (4)

I* ст 6?ПЛе /

ще ш - оптическая масса атмосферы; С - коэффициент прозрачности, аппроксимируемый нами как функция' метеорологической дальности видимости; - солнечная постоянная как

функция в; эмени года; Оп.- коэффициент, учитывающий'влияние количества облачности, ее форма и высота Солнца ; А - коэффициент для реальной атмосферы Ь = 0,36.

2. Излучение атмосферы и поверхности

(5)

£4. » $5<ГТ/ (б)

где ¿р - излучательные свойства атмосферы по формуле Брента ( Ь<* - (о^ыч-о.обб'ьГё.) ); а/ - количество облачности; а, & -коэффициенты, зависящие от формы облаков; Тв и Ъ - температура воздуха и почвы.

3. Поток тепла в почву (по хригиан д.Х.)

Ь= С,ЮС.'У

(7)

где , ^ , ^ - теплоемкость, плотность и температуропроводность почвы; С, и - коэффициенты, учитывающие температуру почвы, радиационный баланс и теплофизические свойства почвы.

4. Турбулентный поток тепла и влаги

Н- -?СрСни(Та- ъ) (8)

о, (>%И,

(9)

коэффициент теплопереноса: , _ 1

Сн = (10)

ЧпЩТъ^и ад

- коэффициент влагопереноса

с„ - УсЛ**

1/« (.ы+^иъл >

коэффициент сопротивления

(И)

, ^ - безразмерные скачки температуры и влажности в вязком подслое; , £>Ст - турбулентные числа Прандля и Шмидта; гои, 2„г, 'г», - параметры шероховатости рчя профиля ветра, температуры и влажности.

- коэффициент сопротивления почвенной влаги

ГЬ-%г. (13)

где , ^ - максимальное и фактическое напряжение почвенной влаги; i - водный эквивалент почвы. 5. Замыкающие соотношения: а) без-азмернле градиенты

% = с У,' % )

б) динамическая скорость

^ = _ (16)

ЪиУъ.

в) масштабы приземного слоя

I: (17)

т>=-Н/?сРи> ш

г) формулы' ЦЕУР5

-1 = > 0,1 пГ. »«о (19).

= при

Ь I- (20)

Далее в главе проводится проверка метода. Здесь сделаны, сопоставления между расчетными величинами составляющих баланса и измеренным" другими методами. .

Используя наблюдения 5-ти актинометричзских станций Украины за 5-ти летний период, проведена оценка точности расчета суммарной радиации и радиационного баланса. Модельные расчеты с точностью до 10 % согласуются с фактически измеренными. Коэффициент корреляции ьо всех случаях равен или больше 0,9.

Лоток тепла в почву сравнивался с измеренными значениями на м/с Одесса (летний сезон 1984 г.). Сопоставления выполнены дл?- поверхности с различной увлажненностью. Расчитанные отношения В/к. лежат в пределах 0,1-0,3 и хорошо коррелируют с я с . измеренными величинами ( У* - 0,е6 + 0,04).

Для проверки точности расчета Н и Ц были привлечены наблюдения экспедиции КЭНЭКС -71. Метод сопоставления заключался в следующем: по данным одноуровенных метеорологических наблюдений и характеру подстилающей поверхности определялись потоки тепла - И , влаги - 1.£ и динамическая скорость - и» , которые сравнивались с измеренными, б эти же сроки наблюдения, градиентами соответствующих метеорологических величин. Далее определялись профильные константы по формулам

и* г К-

г ( э^/эг)

и

^ - антс - лн

ги,?Ср(г>т/эгу~ " (22)

_ - - г

ги*?С эч/эг)

Для условий, близких к безразличной стратификации все рассчитанные константы хорошо согласуются с известными величинами, а именно: ус- = 0,ЗУ7 + 0,04; Рн = 1,19 + 0,05; =•

= 0,8 + 0,06. В условиях неустойчивой стратификации, начиная с > 0,02*0,03, левые части уравнений (21-23) -имеют ассимп-^отику 1/3. В диссертации анализируются полученные закономерности и делается вывод о достоверности наших оценок указанных потоков.

Кроме этого проведены и прямые сопоставления между измеренными и рассчитанными величинами потоков. Их разность не отличается больше чем на 20 %.■

Далее, во второй главе большое внимание уделрчо расчету температуры поверхности почвы. При высокой корреляции между расчетной температурой почвы - Т„р и измеренной Тпср , можно утверждать, что предложенная схема параметризации и построения на ее основе вычислительный алгоритм,правильно описывают процесс взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью, перераспределяя реально лучистые и тепловые потоки.

Измеренные стандартным методом (Напочвенныетермометры) температуры почвы (м/с Черноморка, Одесса, 5 лет, апрель-сентябрь) сравнивались с тосвеннлми оценками температуры почвы. При расчете параметр шероховатости площадки, на которой измеряется температура почвы, принимался равным г0 = 2 см, влажность 20 см верхнего слоя почвы, измерялась весовым методом.

В первом варианте расчета использовалась, аппроксимационная формула Зилитинкевича ( ЬЪ/Ги = 0,х (50-2„- ) для описания "скачка" температуры в вязком подслое. В этом случае расчетная температура почвы, в диапазоне +10*£0 °С, систематически занижена. Отношение измеренной температуры к расчетной равно "Тпср/х, г • 470 соответствует отношения удельннх тепло-

емкостей C-v/сч - i.Hl • На основании этого сделан вывод, что процессы в вязко-буферном подслое (примерно с уровня шероховатости), где градиенты температуры воздуха близки или даже превышают градиенты автоконвекции, не кзазистатичны, а изохоричны и, следовательно, в этом слое для описания процесса.переноса тепла необходимо использовать удельную теплоемкость при постоянном объеме - cv . Введение этой теплоемкости в алгоритм расчета исключило систематическую погрешность определения температуры почвы и связь между Imp и соответствовала положению биссектрисы с коэффициентом корреляции г = 0,84+0,05.

В третьей главе диссертационной работы сделан учет растительного покрова (РП), позволяющий применить предлагаемый метод для расчёта составляющих теплового баланса поверхностей, покрытых растительностью различной плотности и высоты. РП предполагается однослойным и для него определяются потоки суммарной радиации на верхней границе, поглощенные и прошедшие слой РП, соответственно по формулам

(24)

О,.*

QPn (25)

Q, =QlsR-Qpn <26)

где Apr, - альбедо растительного покрова; Qen - коэффициент пропускания коротковолновой радиации. Они являются функцией относительной плотности РП (индекс LA1), ориентации листьев, высоты Сслнца. Аналогично определяются нисходящие и восходящие потоки длинноволновой радиации соотношениями:

Е*-Ерп-(Е№-Еа)а, (27)

EPn-UPn-£s)aD «3).

где Qj, - коэффициент пропускания длинноволновых потоков, а

Е- ,«= 1"рп

где ¿рП - приведенная излучательная способность слоя РП.

Все коэффициенты АРП , Opn, Qs определяются по формулам Росса Ю.К.'

Турбулентные потоки определялись по формулам

1 о " i

Hm- + ^и (29)

Ltpn - m.LAlVCciU^ С' • (30)

здесь K-r - коэффициент транспирации, зависящий от произведения стресс-факторов, ограничивающих потоки влаги к листовой поверхности, а коэффициенты тепло-влагопереноса Ст и Сл являются функцией плотности РП, его высоты и шероховатости.

Профиль ветра внутри растительности описывался соотношением вида

^'M-^WL-M.-fM] ' «П

где - аэродинамическая шероховатость слоя растительности, А и)- коэффициент ослабления скорости ветра в РП.

С уменьшением листового индекса ( LAI О ) профиль ветра преобразуется в логарифмический, соответствующий открытой поверхности с шероховатостью . Реальные профили ветра внутри различных растительных сообществ (тропический лес, лес, пшеница, кукуруза) хорошо согласуются с нашими модельными расчетами.

. Расчет потоков над РП выполнялся следующим образом: предварительно определялись по данным бм^ЕАСдаеЙ метеостанции потоки над поверхностью без покрова и рассчитывались значения скорости ветра, температуры и влажности воздуха на высоте 10 м над слоем предполагаемого растительного покрова. Далее вводились характеристики РП, его тлотность, влажность почвы, фитоособеннос-ти. Сохраняя изложенную схему итерационных процедур, рассчитывались температура листовой поверхности и температура почвы под слоем РП, потоки и профили метеорологических величин над РП. Цикл расчетов повторялся пока разность между последовательными яагами не становилась равной 10 %■ от значения температуры листовой поверхности.. •

Во втором параграфе этой главы проведены сопоставления мечс-iy расчетными и измеренными величинами для лугово-степной рас-

тотальности. Значения коэффициентов корреляции для величин транспирации и отношения Боуэна равны 0,84+0,06.

В третьем параграфе выполнены расчеты микрометеорологических изменений внутри отдельных ландшафтных зон площадью 10x10 км. Эти изменения, как известно, возникают в связи с неоднородностью подстилающей поверхности. Поэтому задавались различные тепло-физические и аэродинамические свойства поверхности, ее увлажненность, характеристики растительного покрова, перепад высот в пределах 40 м. Процесс предполагался стационарным на верхней границе ПС, а все изменения, в силу указанных различий, возникали у подстилающей поверхности ( Я = 2 м).

Получены результаты для условий орошения отдельных участков, величины испарения с растительного покрова и "чистых" поверхностей, суммарные показатели для отдельных реальных ландшафтов.

В четвертой главе предложенный метод применяется для расчета составляющих теплового баланса на территории Гвинеи.

В данной главе кратко изложено физико-географическое описание исследуемого района и характеристика используемых материалов. Метеорологические наблюдения в Гвинее проводятся только в дневное время 6, 12 и 1В часов . Отсутствуют также данные о влажности почвы, поэтому были проведены расчеты отдельно для влажного и сухого сезона. Проведен детальный анализ распределения радиационных и тепловых потоков для четырех станций Гвинеи: Лабо, Намукиндия и Канкан за пятилетний период. Получены среднемесячные величины суммарной радиации, эффективного излучения, радиационного баланса, потоков тепла и влаги и потока тепла в почву, так и их изменчивость по срокам наблюдения. Впервые получены результаты для территории Гвинеи и позволяют теперь правильно выполнить районирование ее по теплобалансовым составляющим.

ОЩИЕ ВЫВОДЫ .

1. В работе предложена новяя схема параметризации темпера-турно-стратифицированного приземного слоя, на основе которой разработан параметризационный метод расчета турбулентных потоков и других характеристик приземного слоя атмосферы по данным оперативной мех еорологической информации.

2. Включение в схему различных характеристик и свойств подстилающей поверхности позволило выявить влияние различных

деятельных поверхностей на формирование турбулентного режима приземного слоя атмосферы.

3. Лроведена проверка метода путем сопоставления его с градиентами, пульсационными и теплобалансовкми методами измерения турбулентных потоков. Точность косвенных оценок сопоставима с прямыми измерениями.

4. Впервые получено подробное распределение составляющих теплового баланса для территории Гвинеи. , .

1. Волошин В.Г., Гилавого Колли Л. Методы расчета составляющих радиационного бааанса по сетевым метеорологическим наблюдениям. - Одесса, 1991. - II с. Деп. во ВтЖ'.-ЭД 07.03.91г.- ' ]? 10§б-ГМ91.

2. Волошин В.Г., Гилавоги К.II, Методы расчета составляющих теплового баланса по'сетевым метеорологическим наблюдениям.-Одесса, 1991. - 13 с.-Деп. во ВНШЖ-МЦЦ 07.03.91. -

№ Ю57-ГЙ91.

110 ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ"ОПУБЛИКОВАНЫ РАБОТЫ:

Поцп.к печати 2.03.01 г. Формат 60x84 1/16. Об'ем 0,оуч.из^л. 0,75гт.п. Зака-»К» 1ЯЯ4. Тираж КХЬкэ. Гортипография Оаесского об.тпогжгрэ4иэаата,аехМ'оЯ.

Ленина 49»