Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Турбулентно-циркуляционный режим нижней атмосферы над Индокитаем

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Турбулентно-циркуляционный режим нижней атмосферы над Индокитаем"

ОДЕССКИЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ДЛОНГОКХУНГ •

УДК 551.510.52

ТУРБУЛЕНТНО-ЦИРКУЛЯЦИО!П1ЫЙ РЕЖИМ 1 НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ НАД ИНДОКИТАЕМ

11.00.09 - метеорология, климатология и агрометеоролог^

Автореферат

. диссертаций на соискание ученой степени . кандидата географических наук

одесса - .1996

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Одесском гидрометеорологическом институте

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук,

профессор Шнайдман Вольф Абрамович

Официальные оппоненты: доктор физ. -мат. наук,

профессор Ефимов Владислав Анатольевич

Зашита диссертации состоится 25 апреля 1996 г. BIO00 часов на заседании специализированного ученого совета • Д 05.02.01 при Одесском гидрометеорологическом институте по . адресу: 270016, г: Одесса-16, ул. Львовская 15, ОГМИ ' . *

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Одесского гидрометеорологического ииститута.

Автореферат разослан ' 25 _марта 1996 г.

У'ьнипдофекфь

кандидат географических наук, Лев Татьяна Дмитриевна

Ведущая органтация: Украинский научный центр экологии моря.

г Одесса • -

птеиналишронинного совета

Н.С. Л обода

/

. Общая характеристика работы Актуальность работы и степспь исследованностн тематики опреде-:тся необходимостью разработки современных методов ко-честаениого описания турбулентно-циркуляцноного режима атмо-еры для использования при метеорологическом обслуживании нации, обеспечения экологического мониторинга и создания елейных схем локального прогноза погоды.

Основной количественного описания турбулентно-ркуляционного режима является модель географического погра-чного слоя.

Расчет характеристик внутренней структуры АПС для конкретных гественно-синоптических .периодов для территории Индокитая актическн является малоисследованным. Цель и основные задачи научного исследования. Цель исследования- количественное описание турбулентпо-гркуляционного режима нижней атмосферы над территорией Индо-ггая на основе физико-математического моделирования внутренней руктуры атмосферного пограничного слоя с максимальным усвое-1см стандартной метеорологической информации. Для достижения оП цели был использован тдродинямико-синоптпчесюш анализ, (стоящий ш следующих этапов:

- фнзнко-математнческон постановки задачи;

- выбора типовой синоптической ситуации для каждого сезона н ее шниз по данным объективного анализа;

- моделирована турбулентно-циркуляционной структуры нижней гмосферы малого района с шагами сетки 1° по долготе н широте;

- анализа типовых синоптических ситуаций но данным матема-лческого моделирования для каждого сезона; .. ' ;■

- количественного описания типовых вертикальных профилей вет ра и турбулентности в АПС для крупных аэропортов Индокитая.

Теоретическая и практическая ценность работы состоит в адапта цин модели гео1рафического пелраничиого слоя к условиям конкрет ных регионов. Эти методы представляют практическую' значнмост поскольку с их помощью разрабатываются схемы локального прогно за, метеорологического обслуживания авиации н экологического мо ниторинга. ■ • • .

Научная новизна работы состоит в решении автором впервы* до. Индокитая следующих задач:

- разработан метод расчета характеристик АПС на основе обобще ния стандартной метеорологической информации н модели геофн зического пограничного слоя; •

- дана количественная оценка внутренней структуры по1 раничноп слоя дтя аналогов типовых синоптических ситуации;

- выявлены закономерности динамики пограничного слоя, обус ловленные воздействием крупномасштабных синоптических процес сов и региональных особенностей территории Индокитая;

- разработана методика расчета и дано количественное Описать вертикальных профилей метеовсличин в нижней атмосфере для метео рологичсского обслуживания авиации. '

Апробация и публикации научных исследований. Основные результа ты работы докладывались на научной конференции по итога!» научно-исследовательских работ в ОГМИ в 1995 г. Днссертацношчи работа обсуждена и рекомендована к защите на расширенно* научном семинаре кафедры геофизической гидродинамики и тсорш климата » марте 1995 г. Основные результаты исследований опубли кованы в 4 статьях. •,. ''"'""".■•

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения етырех глав, заключения, списка литературы 81 наименовании, из о горых 7 иностранных и приложения.

Объем работы составляет 219 страниц, из которых 119 текста, 37 аблиц, 47 рисунков из них а приложении 24 таблицы, 57 рисунков.

конкретный вклад диссертанта в разработку научных результатов, оторыс выносятся на защиту. В диссертационной работе лично авто-ом выполнена адаптация метода математического моделирования юграничного слоя атмосферы к условиям Индокитая путем выбора олнчественных параметров вычислительного алгоритма модели.

Реализован расчет взаимосвязанных трехмерных полей метеопе-шчнн и характеристик турбулентности с детальным иространствсн-[ым разрешением в нижней части атмосферы над Индокитаем. Для нповых синоптических ситуаций проведен гндроднпамнческо-ииоптнческнй анализ рассчитанных полей метеовеличин и пара-|етроп турбулентности, обоснована применимость рекомендованного юдхода к обслуживанию авиации.

На защиту выносится

- постановка задачи и вычислительный алгоритм восстановления рехмерной структуры пограничного слоя атмосферы над Ипдокнта-м по данным объективного анализа;

- пщродннамико-синоптнчсскнн анализ взаимосвязи структуры ШС и крупномасштабных, атмосферных процессов для типовых ес-естаенных синоптических периодов;

- количественное описание взаимосвязанных трехмерных нолей 1етеовеличин и характеристик турбз'леитности с детага>ным про-Трангтпсиным разрешением п нижней части атмосффы над Индоки-■дсм; ••-.-■'

о

- методика подготовки метеорологической информации дл обслуживания авиации и расчет вертикальных профилей, метеов( личин и параметров турбулентности для крупных аэропортов Инде кнтая.

Методология и методы исследований. Для определения турбулеш но-цмркуляцнонного режима полдничного слоя используется кош плексный подход, объединяющий расчет трехмерной структуры мс теоролошческих полей путем обобщения данных наблюдений и физи ко-математичеекого моделирования.

Содержание работы. .

Во введении отмечается актуальность темы, сформулирован! основные положения, которые составляют научную новизну и пред мет защиты. • ■ '.

В первой главе "Формирование пограничного слоя атмосферы на, ограниченной территорией" на основе современного состояния иссж дований по моделированию АГ1С сформулирована постановка за дачи. Физико-'математическая постановка задачи основана на модел! геофизического пограничного слоя. В ней учтены основные фи зцческие механизмы формирования АПС;

Вычисленный алгоритм включает замкнутую систему полны уравнений гидротермодинамики совместно с уравнениями замыканн для турбулентных параметров. Граничные условия учитывают дина мнческое, термическое и влажностное воздействие подстилающей по верхности на натекающий поток и взаимодействие АПС со свобол ной атмосферой.

Во второй главе "Циркуляцнонно-термическин режим нижне1 атмосферы над Индокитаем" приведена физико-географическая I кднм'яшчсскан характеристика района. Показано, что над исслсдуе мым районом господствует мощная муссонная циркуляция, опреде

гсяемая смещением планетарных зон атмосферного давления и ветра в сочетании с взаимодействием материка й океана. Поэтому в основу классификации крупномасштабных атмосферных процессов положен критерий динамики развития муссонной циркуляции на полуострове. Это в соответствии с анализом крупномасштабных атмосферных процессов является наиболее обоснованным. Согласно принятой концепции для каждого типового процесса был выбран конкретный естественный синоптическим период, процессы в котором были идентичны типовому/По данным объективного анализа Российского гидрометцентра выполнен гндродинампко-снноптический анализ указанных ЕС'П и обоснован их выбор н качестве типовых.

По данным объективного анализа Российского гидрометцентра* были выбраны конкретные ситуации, которые ближе вс.его соответствуют указанной выше классификации.

Для периода развития северо-восточных муссонов была выбрана синоптическая ситуация с 5 по 10 января 1994. В течение этого периода интенсивно развивался Азиатский зимний антициклон, образую-Щ! (й типичные полярные вторжения до тропнческ! к широт.

Для периода затухания полярных муссонов была выбрана синоптическая ситуация с 14 по 21 апреля 1994 г. В течение этого периода ослабевает влияние Азиатского антициклона, усиливается роль термической депрессии.

Для периода развития летних муссонов была выбрана синоптическая ситуация с 5 по . 12'июня 1993г. В этот период начинает разниматься Азиатская депрессия, под действием которой оказываются и районы Индокитайского полуострова.

Для периода переходного от летнего муссона к зимнему была выбрана синоптическая ситуация с 20 по 26 октября 1993 г., которая"**.

растеризуется распространением области повышенног о давления на территории Индокитая. " - ;

В третьей главе " Турбулентно-циркуляционная структура атмосферного пограннчнохо слоя над Индокитаем для типовых синоптических ситуаций" приведен подробный анализ пространственно-временного распределения характеристик турбулентно-циркуляционного режима по результатам математического моделирования АПС.

Для каждого выбранного конкретного естссгвенно-синоптичегкоз о периода, в котором атмосферные процессы^развивались., идентично типовым, были рассчитаны характеристики взаимодействия с подстилающей поверхностью й свободной атмосферой и трехмерное распределение скорости ветра, температуры, массовой доли водяного пара, коэффициента и интенсивности турбулентности и вертикальные токи»

Приведенный гндродинамико-слноптический анализ для исследуемого малого района (МР) согласован с данным объективного анализа Российского гидрометцентра.: Основное внимание уделено выявлению циркуляционных структур неразрешимых по данным объективного

I

анализа с шагом 2.50.

Наибольшее внимание удедено пространственному распределению

' - . . *

полей давления, геопотенциала ветра и турбулеНгным характеристикам. ; . ' . •

В качестве примера приведем результаты пщродинамико-синоптпческого анализа для одного из дцей зимнего сезона, 6 января 1994 г.. . ' Л4'/

Апажп полей вегра на высотах (рис. I) показывает, что до уровня 500 \< на большей части территории преобладают ветры с восточной составляющей. Но сравнению, с предыдущими сугкамн область заия

а) О)

95 87 SS .101 101 103 .107 10» '111 -113 113 93 »7 И 101 103 103 107 109, 111 ". 113 115.;

в).. . г)

♦5 87 »» 101 103 105 '107 10» 111 113 115 95 S7 3» 101 103 105 107 10« 41 113 115

Рнс. 1

Скорость ветра и направление переноса на уровнях 10 м(а\ 200 u(<j). 500 ы(в), 1000 м(г). Об января 12 ч. СГВ

тая восточными потоками, смещается к западу в среднем на 2°, чтс связано с усилением гребня антициклона. К западу от 97°~ в.д сохраняются ветры северо-западного направления. На всех высотах'отмечается увеличение максимальных скоростей ветра, на 2-3 м/с, ju уровня 1000 м и на 1.4 м/с на 1500 м. Максимальная скорость на высоте 1500- 18,5 м/с.

Район максимальных значений коэффициентов турбулентности (рис 2) находится над севером Андаманского моря. На уровне LOO v он равен 25.3 м21 с (24° с. ш., 97° в. д.), а на 200 м 40,9 V1с. •

Поля вертикальных движений на уровне 500 и 1000 м представлень на рис. 2 (в, г). Области восх.одящих движении располагаются nuj континентальными районами Индокитая.'Нисходящие.движения от мечаются над районом Тонкинского залива.

Анализ'барических, термических и циркуляционных полей но дан ным объективного анализа и результатам математическою модели рования указд;кйа высокую их согласованности с точки зрения, от ражения крупномасштабных закономерностей И существенную дета лизацию и уточнение путем выявления, региональных особенностей Прежде всего, это относится к детализации вертикального р.аепреде лення полей метеор.ологнческнх величин* л характеристик турбулент ностн. В данных объективного анализа представлены значения лишь 'на 3-х изобарических поверхностях. В результате математического модслиропащш эти характеристики получены уже на 2\ уровне, чт существенно расширяет !! уточняет стандартную метеорологическу* информацию." • .

В проанализированных » работе типовых ёстествсннс синоптически* периодах эта детализация и уточнение проявились

определении местоположения центров расположения замкнутых вш

* * • .. . * . реп, конфигурации лпипнтока, интенсивности переноса, границ рай

а)

б)/'--

24

аз 22 21 20 19 18 17 1в

а /

С7

Iii 1 ill 1 Л ¡ i 11,1

SS 97. 93 » 100101132103 10*103106107,10810911011111211311«

äB 87 99 99 10010110210310410510Б 10710Я103110111112113114

в;

Z3

22 13

" о

. ■ ■ -g-

/ í.

X '-о .. Î

i i. i•.; \_: 'и " У'1

96 »7 S9 98 100101 102 '03 104 '.05 K-é 107 10ê 10í 11011 i 11211.2 114

Рис. 2

И 57 ií í) 1CÛ1C11021031041úS10eií71oei031101l1112113114

на • уровнях 1G0 м (а).

Коэффициент турбулентности Я00 м (б). Вйртиг:апы1ые движения на" уровнях 500 м(вС 0в якеаря !i. ч. СГВ

1000 м(г,>.

онов, находящихся под воздействием воздушных масс/смещающихся с Индийского океана, Индонезии и Тихого океана.

• В^ четвертой главе "Закономерности вертикальных профилей ветра и турбулентности в пограничном слое" для оценки достоверности полученных результатов "было проведено сопоставление рассчитанных и фактических величин. Средние значения абсолютных величин разностей, рассчитанных и наблюдаемых составляющих векторов ветра не превосходят 1 м/с. Наибольшие ошибки отмечаются в весенний период, однако их максимальная величина не превосходит 1,1 - 1.5 м/с . Анализ значений погрешностей расчета показал, что ш 900 рассчитанных значений в 91 % случаев абсолютная ошибка не превосходит 2 м/с. Сделан вывод о том, что полученные расчеты пространственно-временного распределения характеристик внутренней структуры АПС обладают высокой степенью точности л могут быть использованы для решения прикладных задач.

Основные результаты математического-моделирования применены для метеорологического обслуживания авиации. В качестве практического внедрения рекомендуется использование .метода расчета вертикальных профилей скорости ветра и характеристик турбулентности для 4 крупных аэропортов региона.:

В качестве примера рассмотрим распределение скорости и направление ветра для Ханоя, с 4 по-10 января.

Направление ветра в пограничном слое данного района характеризуется тем, что в первый день во всем слое АПС осуществляется хорошо выраженный перенос с юго-запада на северо-восток, который постепенно меняется на перенос с юго-востока на северо-запад к третьему дню периода.'Во второй половине периода пограничный слой по направлению можно разлепи л, на дпе области- ниже и выше высоту 600

i. В нижней области сохраняется перенос с юго-востока на северо-1апад, а в верхней области вновь происходит смена направления пе->еноса. Здесь преобладают уже потоки, направленные с юго-запада на еверо-восток, а на переходных уровнях с юга на север.

В указанный период скорость ветра изменялась от 2.0 м/с у поверх-юсти земли до 5-6 м/с на верхней границе пограничного слоя. Ее уве-мчение отмечалось только до уровня 200м, а далее модуль скорости »ставился практически неизменным. В некоторых случаях скорость 1етра понижалась вплоть до уровня 1500м.

Максимальные значения коэффициентов турбулентности н кине-ической энергии турбулентности отмечались на нижних уровнях 30 I 50 м и изменялись в пределах 0.3-1.1 м2/с и 0.02 - 0.11 м2/с соответ-тпенно..

С точки зрения обслуживания взлета и посадки самолета заслужи-ает внимания слой 400-600м, где происходит резкая смена иаправлс-1ИЙ вегра и снижение скорости.

Представленные сведения о вертикальных профилях убедительно ;емоистрнруют сложную картину вертикального распределения ветра ! характеристик турбулентности в исследуемом районе. Выполненный етальнып анализ убедительно свидетельствует о необходимости очетання данных радиозондирования и модельных расчетов для по учения необходимого разрешения по вертикали. Одновременно проеденный анализ свидетельствует о потенциальных возможностях вы-илеипя слоев, важных, с точки зрения метеоролог ического обслужи-анииавиации. г

Обобщение модельных расчетов является существенным дополнении к к/шмашчегкому описанию аэропортов.

Таким образом, с помощью разработанного подхода существенно етализируется пространственное распределение циркуляционных па-

раметров нижней атмосферы, крайне необходимых при метеорологическом обслуживании авиации.

Выводи. Основные выводы, вытекающие из результатов выполненного исследования:

- разработан метод количественного описания турбулентно-циркуляционного режима нижней атмосферы над ограниченной территорией; . '

- получено пространственно-временное распределение основны> параметров пограничного слоя атмосферы над территорией- Индока тая для типовых синоптических ситуации; ;

- подтверждена достоверность описания циркуляционного режиме и обоснованность использования его характеристик в задаче метеоро логического обеспечения авиации;

- обоснована применимость и перспективность использование • предложенного подхода для расширения и уточнения стандартно»

метеорологической информации. '

По теме диссертации опубликованы такие научные работу:

1. Крупномасштабные факторы, определяющие турбулентно циркуляционный режим территории Индокитая. П Метеорология

климатология и гидрология. № 31, Одесса - 1995 С. 6. (в соавторстве ■

• *

проф. В. А. Шнайдманом). -.•...". . '

2. Турбулентно-циркуляционный режим Нижней атмосферы на тер риторни Вьетнама в циклоническом барическом поле. И Сб. Метеоро логия, климатология и гидрология. № 31, Одесса - 1995 с. 8. (в соав торсгве с проф. В. А. Шнайдманом). • • '

3. Прикладные задачи модели атмосферного пограничного ело 'для обслуживания метеорологической информацией граждапско:

авиации. // Сб. Метеорология, климатология и гидрология. N° 3-Одесса - 1995 с. 3,

4. Крупномасштабные факторк, .определяющие турбулентно-циркуляционный режим территории Индокитая. //Деп. в ГНТВ Украины 21.06.94 № 1200 -Ук 94 и анотирована в библиографическом указателе ВИНИТИ. 1994, № 10 (264). -21 С.

Аннотация.

Дао Нгок Хунг

Турбулентно-циркуляционный режим нижней атмосферы над Индокитаем.

Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени кандидата географических наук по спет кии.носиI 11.00.09 - метеорология, климатология и агрометеорология. Одесский гидрометеорологический институт. Одесса 1996.

Количественное описание турбулентно-циркуляционного режима нижней атмосферы над Индокитаем осуществлено с помощью комплексного метода, объединяющего обобщение стандартной метеорологической информации и математическое моделирование. По данным объективного анализа были отобраны сстественпо-сшшт ические периоды, которые были идентичны типовым и для них рассчитаны ноля метеорологических величии и параметров турбулентности в узлах регулярной сетки с шагом 1° по горизонтам и 21 уровня по вертикали. С помощью гпдродинамики-снноптнчсского анализа были выявлены основные закономерности пространстве! шо-времеппого распределения характеристик пограничного-слоя для типовых синоптических ситуации. Проведенное сопоставление результатов моделирования и данных объективного анализи показало высокую точность воспроизведения циркуляционных, параметром нотра-нпчпою слоя. Разработанная методика рекомендована для использования в метеорологическом обслуживании авиации путем восстановления вертикальных профилей гетра и параметров турбулентности с малым шагом по вертикали. В заключении приведены основные выводы из проведенного исследования.;

Dao Ngoc Huitg .

The turbulent and circulation regime of low atmosphere for Indochina.

The qualitative description of low atmosphere turbulent and circulation •egime for Indochina was realized by composite method which combined he results of objective analysis data were used for choice (he synoptic icriouds in which the atmospheric processes were indent itical to typical. For these periods the meteorological and turbulence fields were obtained in "cgular area grids with the 1° horizontal step and 21 height levels. The lvdrodynamic - synoptic analysis was applied lor discovery of spatial and emporal distribution of boundary layer parameters for typical synoptic situations. The modeling results and objective analysis data comparison ¡howed their good coincidence. The method of vertical profiles calculation vas recommended for aviation meteorological service.

The main results of the investigation were given in the conclusion.

Ключош слова: моделюванпя, турбулентность, погранпчпип шар. $сртикальнын профшь.