Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Численное моделирование взаимодействия конвективных облаков с твердыми грубодисперсными аэрозолями

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Веремей, Николай Евгеньевич, Санкт-Петербург

л/ л л

01 • чЧ

/

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Численное моделирование взаимодействия

конвективных облаков с твердыми грубодисперсными аэрозолями

Специальности: 04.00.23 — "Физика атмосферы и гидросферы"; 01.04.14 — "Теплофизика и молекулярная физика"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

доктор физико-математических наук,

профессор Л.С.Ивлев;

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Ю.А.Довгалюк

На правах рукописи УДК 551.509 + 551.576

Веремей Николай Евгеньевич

Санкт-Петербург — 1999

Оглавление

Введение.................................................................4

Глава 1. Современное состояние исследований конвективных

облаков с повышенным содержанием аэрозоля.............13

1.1. Данные натурных исследований о конвективных облаках

с повышенным содержанием аэрозоля.................................13

1.2. Численное моделирование взаимодействия конвективных

облаков и аэрозолей...................................................25

Глава 2. Численная нестационарная полуторамерная модель

конвективного облака, содержащего твердые грубодисперсные аэрозоли..................................35

2.1. Обоснование выбора модели......................................35

2.2. Общая характеристика модели...................................38

2.3. Система уравнений гидротермодинамики и баланса масс.......41

2.4. Микрофизические процессы в облаке................1............45

2.5. Система уравнений электрогидродинамики и баланса зарядов . 51

2.6. Микрофизические процессы электризации облачных элементов 53

2.7. Начальные и граничные условия.................................55

Глава 3. Результаты численного моделирования

аэрозолесодержащих конвективных струй,

развивающихся над источником тепла......................57

Глава 4. Результаты численного моделирования эволюции

конвективных облаков, содержащих грубодисперсные аэрозоли......................................................64

4.1. Пространственно-временное изменение динамических и микрофизических характеристик конвективного облака на разных стадиях его жизни при отсутствии аэрозольного выброса ...........................................................64

4.2. Влияние аэрозольного выброса на динамику и

микрофизическую структуру облака ............................71

4.3. Распространение аэрозоля в конвективном облаке и в подоблачном слое и его осаждение на подстилающую поверхность .......................................................76

4.4. Моделирование активного воздействия на конвективные облака с целью усиления вымывания аэрозольных примесей .. 83

4.5. Формирование электрической структуры конвективного облака и влияние электрических процессов на его динамику при фоновых значениях концентрации аэрозоля .....................85

4.6. Моделирование влияния аэрозоля на эволюцию конвективного облака при учете электрических

процессов .........................................................89

4.7. Влияние электрических процессов на распространение

и осаждение аэрозольных частиц ................................92

Заключение.............................................................94

Библиографический список использованной литературы............99

Приложение 1. Список обозначений..................................114

Приложение 2. Численный алгоритм модели........................122

Приложение 3. Рисунки и таблицы...................................124

Приложение 4. Параметрические выражения для расчета скоростей протекания фазовых переходов и

коагуляционных процессов.......................................152

Приложение 5. Параметрические выражения для описания

микрофизических процессов электризации.....................167

Введение

Актуальность проблемы. Настоящая работа посвящена исследованию взаимодействия конвективных облаков (КО) с аэрозолями. Облака ответственны за перенос аэрозольных частиц (АЧ), попадающих в атмосферу из различных источников, а также вымывание аэрозоля из атмосферы на подстилающую поверхность. Эти процессы требуют особого внимания в ситуациях, когда концентрация АЧ принимает аномально высокие значения в достаточно большой области пространства.

Значительное увеличение концентрации аэрозоля в атмосфере в большинстве случаев связано с экстремальными ситуациями (ЭС) природного (извержения вулканов, пыльные бури, землетрясения) либо антропогенного происхождения (пожары, взрывы, выбросы промышленных предприятий). Следует отметить, что число ЭС, связанных с деятельностью человека, в последние годы неуклонно растет. При этом значительное число аварий связано с испытанием и эксплуатацией атомных энергетических систем [18,19], что представляет большую опасность для человека и окружающей среды.

Известно, что аэрозоли являются одним из важнейших факторов, определяющих тепловой и радиационный режим атмосферы. Объясняется это, в первую очередь, участием АЧ в поглощении и рассеянии излучения в различных областях спектра [2,3,5,38], существенным влиянием аэрозольного состава атмосферы на образование облаков [3,5,38,45], также являющихся одним из важнейших климатообразую-щих факторов [38,61,72], а также, изменением альбедо подстилающей поверхности в результате осаждения АЧ [42]. Аномальное увеличение содержания аэрозолей в воздушной среде может оказать существенное влияние на атмосферные процессы разного пространственно-временного масштаба и, тем самым, вызвать изменения климатиче-

ских условий в значительной части земного шара либо на планете в целом. Процессы переноса и осаждения аэрозолей облаками и осадками способны, посредством тех или иных механизмов, оказывать значительное влияние на характер и масштаб этих изменений.

Особую опасность представляют АЧ, содержащие значительное количество токсичных и (или) радиоактивных веществ, и образующиеся, главным образом, при антропогенных катастрофах. Они оказывают непосредственное негативное воздействие на живые организмы и природную среду даже при сравнительно небольших концентрациях. Закономерности распространения таких аэрозолей от их источника и, как следствие, масштабы экологической катастрофы также во многом определяются процессами переноса АЧ облаками и осадками.

Взрывы, пожары и вулканические извержения, как правило, сопровождаются интенсивным выделением тепловой энергии. Нагрев воздуха вызывает образование восходящих воздушных потоков, которые, при достаточной влажности воздуха, приводят к образованию и бурному росту КО. В связи с интенсивной аэрозольной эмиссией, сопровождающей ЭС, образовавшиеся облака в большинстве случаев содержат значительное количество АЧ. Помимо этого, аэрозоли, поступающие в атмосферу, вступают во взаимодействие с облаками естественного происхождения, находящимися в районе катастрофы. Эти процессы в значительной мере определяют механизмы распространения АЧ от эпицентра ЭС в атмосфере, а также, удаления аэрозолей из атмосферы на подстилающую поверхность [40,76].

Особую роль в этих процессах играют облака конвективных форм (как непосредственно связанные с ЭС, так и образовавшиеся в естественных условиях). Во-первых, КО способны порождать осадки значительной интенсивности (порядка 101 — 102 мм/ч) и тем самым способствовать вымыванию АЧ. Во-вторых, восходящие конвективные потоки воздуха могут осуществлять перенос аэрозольных примесей

в верхние слои тропосферы и в стратосферу [65,100]. Распространение аэрозоля в стратосфере способно привести, вследствие большого времени жизни стратосферного аэрозоля, к изменению радиационного баланса и охлаждению земной поверхности [100].

Следует особо подчеркнуть тот факт, что аэрозоли, содержащиеся в облаках, не являются пассивными примесями: в процессе переноса воздушными потоками и вымывания осадками, АЧ активно взаимодействуют с паровоздушной средой, облачными частицами и осадками и оказывают существенное влияние на динамические, микрофизические и электрические процессы, происходящие в КО. АЧ, эмит-тируемые в атмосферу, способны выступать в роли ядер конденсации (ледяных ядер), возрастание числа которых по сравнению с фоновыми значениями может существенно повлиять на спектр распределения облачных капель (кристаллов) по размерам [5,29], а следовательно, и на процессы осадкообразования, что, в свою очередь, в значительной степени определяет динамику конвективных потоков. Взвешенные в облаке частицы оказывают механическое давление на воздушную среду, способствуя ослаблению восходящего потока. Помимо этого, АЧ участвуют в процессе гравитационной коагуляции с каплями, оказывая тем самым влияние на распределение влаги в КО и, как следствие — на фазовые переходы, температурный режим облака и динамику конвективных движений. Следует принимать во внимание, что перераспределение влаги приводит к перераспределению электрического заряда в КО [9,21,67,68]. В условиях интенсивной электризации изменение зарядовой структуры облака и пространственного распределения напряженности электрического поля (НЭП) может привести к существенному изменению динамики конвекции [7,9]. Помимо этого, известно, что электрические факторы существенно влияют на фазовые переходы влаги [41] и коагуляцию [68]. Важную роль в облачных процессах играет, также, химический состав аэрозольных примесей;

в особенности эта роль велика при конденсации водяного пара на АЧ [61,105].

Вышеперечисленные процессы, в свою очередь, оказывают существенное влияние на распространение АЧ в облаке и вымывание аэрозоля на подстилающую поверхность. Таким образом, влияние облаков на перенос АЧ в атмосфере может рассматриваться только с учетом многочисленных обратных связей между аэрозольными и облачными процессами [21].

К настоящему времени на базе результатов фундаментальных исследований в области физики облаков [61,66 — 68,79,88] разработан целый ряд средств и методов искусственного изменения физических характеристик КО (скорости конвективных потоков, характера и интенсивности осадков, водности, фазового состава, электрической активности и т.д.) путем активных воздействий (АВ) [32,48,53,82,83]. Эти методы могут быть использованы для искусственного управления процессом переноса аэрозольных примесей облаками и осадками с целью локализации последствий ЭС [40].

В связи с вышесказанным, всестороннее изучение закономерностей взаимодействия КО с аэрозолями имеет важное значение для прогноза изменения экологической обстановки и климатических условий как в окрестности эпицентра ЭС, так и в глобальном масштабе, а также, для разработки и совершенствования методов АВ на КО с целью искусственного регулирования процесса распространения аэрозольных примесей. Помимо этого, на основе данных о влиянии аэрозолей на эволюцию облаков могут быть разработаны методы АВ на те или иные характеристики КО путем искусственного засева облаков аэрозольными реагентами.

Проведение натурных исследований КО, а также, интерпретация полученных результатов сильно затруднены вследствие целого ряда факторов. В первую очередь, к данным факторам относятся:

1) существенная нестационарность облачных процессов;

2) опасность, которую представляют облака для экспериментаторов и используемых ими приборов;

3) невоспроизводимость экспериментов.

Из сказанного следует, что несмотря на существенную и важную роль, которую играют натурные и лабораторные исследования в процессе изучения облаков и аэрозолей, для получения полной картины эволюции КО необходимо применение теоретических моделей облаков. Адекватные модели КО любого вида и происхождения, как правило, содержат сложные системы уравнений, решение которых требует применения численных методов.

Цель работы:

1. Построить численную модель конвективного облака, содержащую учет влияния аэрозольной фракции на динамику конвективного облака, имеющего трехфазную микроструктуру (пар, вода, лед), а также, электрических процессов.

2. С использованием численной модели исследовать особенности пространственно-временного изменения динамических, микрофизических и электрических характеристик конвективного облака при наличии в нем аэрозольных примесей с заданными физическими свойствами, а также, зависимость указанных характеристик от концентрации АЧ.

3. Изучить возможность искусственного усиления очищения атмосферы от аэрозольных примесей путем активного воздействия на облака.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) построена усовершенствованная численная нестационарная по-луторамерная модель КО на базе семейства созданных к настоящему времени моделей аналогичного класса, не содержавших аэрозольного

блока;

2) исследовано влияние взвешенных АЧ на динамику сухой конвективной струи с целью оценить эффект подавления восходящего потока вследствие механического давления АЧ на среду;

3) изучены процессы переноса и осаждения грубодисперсных аэрозолей в КО и в подоблачном слое при различных условиях;

4) выполнено сравнение динамических и микрофизических характеристик КО при разном содержании аэрозоля без учета электрических процессов;

5) исследована роль электрических эффектов в процессах эволюции облака и осадкообразования, а также, переноса и осаждения АЧ;

6) проведено моделирование активных воздействий на КО с целью увеличения интенсивности очищения атмосферы от аэрозольных примесей путем искусственного регулирования осадков.

Научная новизна работы. Автором впервые получены следующие новые результаты.

1. Построена усовершенствованная численная нестационарная модель КО, содержащая учет аэрозольной фракции и электричества, позволяющая при достаточной полноте осуществлять не только исследования, но и оперативные расчеты на ПЭВМ.

2. С помощью модели исследовано взаимодействие конвективных облаков с негигроскопичными, гидрофобными грубодисперсными аэрозолями с учетом электрических процессов.

3. Впервые показано, что увеличение концентрации аэрозоля с указанными свойствами не всегда приводит к ослаблению облачной конвекции, но может приводить к ее некоторому усилению.

4. Показано, что возможна интенсификация очищения атмосферы осадками за счет искусственного увеличения их интенсивности.

Практическая ценность работы. Модель использована для выполнения НИР Росгидромета "Исследовать возможность очищения

атмосферы методом активных воздействий на облака" (тема 1.5.3.5), "Исследовать процессы эволюции характеристик туманов, облаков и осадков при наличии загрязняющих веществ применительно к задачам очищения атмосферы" (тема 1.5.3.8) и "Исследовать взаимосвязь градовых и грозовых явлений и разработать оперативный метод контроля результатов активных воздействий по электрическим характеристикам" (тема 1.5.2.10), а также, работы по научной школе РФФИ "Разработка технологии радиолокационного мониторинга радиоактивных облаков при аварийных ситуациях на атомных электростанциях с оценкой заражения местности радионуклидами, вымываемыми атмосферными осадками" (грант 96-15-98275).

Результаты, полученные автором, использованы при разработке аван-проекта системы активной защиты населения от радиоактивных выбросов атомных объектов применительно к АЭС в Сосновом Бору. С использованием численной модели разработана одна из подсистем активной защиты, задачей которой является управление распространением радиоактивных аэрозолей путем создания искусственных конвективных облаков в районе аварии с помощью мощного теплового источника.

Одна из версий разработанной автором численной модели КО (информационная система "Облако-2"), описывающая эволюцию облака при фоновом содержании аэрозоля, предложена к использованию метеослужбой аэропорта "Пулково" для прогноза развития КО и формирования гроз на основании данных радиозонда. Модель прошла предварительные испытания и показала высокую оправдыва-емость.

На защиту выносятся:

1) Численная нестационарная полуторамерная модель трехфазного КО, содержащего грубо дисперсные аэрозоли;

2) результаты численного моделирования влияния АЧ на дина-

мику сухой конвективной струи;

3) результаты численного моделирования влияния A4 на динамические, микрофизические и электрические характеристики КО;

4) результаты численного моделирования распространения A4 в облаке и подоблачном слое при учете и без учета электрических процессов;

5) результаты численного моделирования влияния искусственного регулирования осадков из КО на очищение атмосферы от аэрозольных примесей.

Личный вклад автора. В диссертацию вошли результаты построения и реализации на ПЭВМ численной модели конвективного облака, в основном полученные автором лично. Вклад автора являлся определяющим при получении в составе соавторов результатов, вошедших в диссертацию. Автором лично произведен общий анализ и интерпретация результатов, вошедших в диссертационную работу, получены выводы и дано обоснование для практического применения.

По теме диссертации автором опубликовано: 11 статей, из них лично — 3 [20 — 22], с соавторами — 8 [8,9,23,24,40,101,108,134]; 2 тезисов доклад