Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Численное моделирование взаимодействия пограничных слоев атмосферы и океана

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Численное моделирование взаимодействия пограничных слоев атмосферы и океана"

Р Г 6 ОД

Российская академия наук

' ........ Сибирское отделение

Вычислительный центр

На правах рукописи

ПЛАТОВ Геннадий Алексеевич

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА

04.00.22 — геофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физшо-жвпех1атических наук

НОВОСИБИРСК 1993

Работа выполнена в Вычислительном центре Сибирского отделения РАН, г.Новосибирск.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук В.И.Кузин,

доктор физико-математических наук В.И.Ликосов.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук П.Ю.Пушистов,

кандидат физико-математических наук . А.Т.Зиновьев.

Ведущая организация:

Главная геофизическая обсерватория (Санкт-Петербург)

оо

Защита состоится « 9 » июня 1993 г. в ю час. на заседании специализированного совета К 002.10.01 по присуждению учёной степени кандидата наук при Вычислительном центре СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск - 90, пр. акад. Лаврентьева, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Отделение ГПНТБ СО РАН (пр. акад. Лаврентьева, 6).

Автореферат разослан « 7 » мая 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физ.-мат. наук Ю.И.Кузнецов

Общая характеристика работы

Актуальность тела диссертации

Для описания нестационарных процессов, присущих глобальной климатической системе, в первую очередь нужно решить проблему взаимодействия атмосферы и океана. Основные трудности, которые возникают при рассмотрении этого ' вопроса, связаны с необходимостью сочетать глобальный охват климатической ситуации с достаточно подробным описанием локальных микромасштабных процессов. В настоящее время компромис, как правило, достигается в ущерб последним. Существенная доля этих процессов приходится на пограничные слои атмосферы и океана. Они определяют характер и интенсивность их взаимодействия, неадекватность отражения которого монет привести к серьёзному искажению картины энергетического баланса климатической системы при численном моделировании. Стремление решить эту проблему, построить более полную численную модель приводит к необходимости использования громадного количества памяти и чрезвычайного быстродействия вычислительных систем. Однако прогресс в вычислительной технике позволяет надеяться, что в бликайшее время решение задач такого объбма станет возмогшим. Следовательно, актуальность разработки моделей с достаточно подробным разрешением вертикальных процессов на границе атмосферы с океаном возрастает и работы в этом направлении нужно вести уке сейчас.

Цель работы

Целью представляемой диссертационной работы является разработка модели взаимодействующих пограничных слобв атмосферы и океана, включающей в себя параметризации основных физических процессов мелкомасштабного уровня и построенной в результате верификационных экспериментов с использованием данных натурных наблюдений. Среди процессов, требующих своего описания или параметризации, выделяются- следующие:

1. конвективное и ветровое'перемешивание в океане;

2. формирование и разрушение квазиоднородного слоя ( вовлечение и антивовлечение );

3. турбулентность;

4. двойная турбулентная диффузия (процессы, оцределяемые различием коэффициентов турбулентной теплопроводности и турбулентной диффузии солей);

5. противоградиентный турбулентный перенос;

6. турбулентные потоки в приводном слое;

7. штормовая интенсификация тепло- и влагообмена;

8. сухая и влажная конвекции;

9. длинноволновая и коротковолновая радиация; ю. гидрологический цикл;

11. воздействие крупномасштабных факторов на структуру пограничного слоя.

Приведенный" список наверняка не исчерпывает всех факторов, задействованных на границе двух сред. Конто, однако, с определенной долей уверенности утверждать, что перечисленные процессы являются преобладающими, хотя бы с точки зрения наибольшей повторяемости в реальных атмосфере и океане.

Научно-я новизна работ

Непосредственное использование в расчетах данных натурных наблюдений, как с целью постановки реальных граничных и начальных условий, так и с целью статистического сравнения результатов численного моделирования с этими данными позволило подробно исследовать и уточнить описание ряда процессов, таких как противоградиентный турбулентный перенос, турбулентное вовлечение, двойная диффузия, а также подробно рассмотреть проблему турбулентного замыкания. В этом и состоит элемент новизны данной работы.

Прашическая ценность работы

Основное назначение модели — это описание процессов под-сеточного масштаба в рамках глобальной или региональной модели климатической системы, где её роль трудно переоценить.

Однако способность созданной модели адекватно восцроизво-дить вертикальную структуру нижнего слоя атмосферы и верхнего слоя океана может быть самостоятельно использована как в прак-

тических целях, так и в теоретических исследованиях в области моделирования, климата и прогноза погода. Сама модель оформлена в виде программного пакета, реализованного на персональном компьютере серии IBM PC AT, и допускает достаточно гибкую эксплуатацию, как в отношении входных данных, так и в отношении физической наполнености конкретного численного эксперимента с моделью, то есть пакет включает возможность выбора различных параметризаций в зависимости от желания исследователя в режиме диалога.

Апробация результатов работ

Результаты, представленные в диссертации, докладывались на Всесоюзном семинаре по пограничным слоям в атмосфере и океане (Ленинград 1987), на Всесоюзной научно-технической конференции (Севастополь 1988), на Всесоюзной конференции по программе «Разрезы» (Одесса 1990), на российско-германском семинаре по океанографии (Москва 1991), на Всесоюзном совещании по динамике океана (Новосибирск 1991), а также на Школе-конференции молодых ученых ВЦ СО АН СССР (Новосибирск 1988,1989).

Диссертация полностью докладывалась в Вычислительном центре СО РАН на семинаре Отдела математического моделирования физики атмосферы и океана и охраны окружающей среды.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ, две из них находятся в печати. Список приводится в конце автореферата. Личный вклад автора состоит в формировании совместной модели пограничных слоёв атмосферы и океана, построении или уточнении некоторых параметризаций, постановке и проведении численных экспериментов на основе разработанных моделей.

На защиту выносятся

« Результаты численных экспериментов с использованием проти-воградиентной гипотезы турбулентного переноса и сравнение различных гипотез турбулентного замыкания.

• Аналитические выражения для коэффициентов тензора турбулентной диффузии тепла и солей.

• Параметризация; турбулентного вовлечения в модели деятельного слоя океана.

• Результаты включения модели верхнего перемешанного слоя в модель общей циркуляции Мирового океана.

• Результаты исследования реакции океана на прохождение тропического циклона в районе течения Куросио.

Объём равоты

Общий объЭм представляемой диссертации составляет 228 страниц, где 9 страниц отводится под список цитируемой литературы на 153 пункта, 2 страницы на содержание. Имеется также 50 рисунков и 8 таблиц, которые расположены внутри основного текста по ходу изложения. Кроме основного материала диссертация включает в себя два приложения объёмом 32 страницы.

Содержание работы

Переходя к краткому изложению содержания, заметим, что в работе была предпринята попытка сочетать описание физической наполнености модели с описанием результатов численных экспериментов, связанных с введением параметризаций тех или иных физических механизмов.

Атмосферная часть модели принадлежит к моделям, основанным на, так называемой, К-теории. Здесь турбулентные потоки полагаются аналогичными молекулярным потокам с введением коэффициента турбулентности, зависящим от высоты и времени и вычисляемым на основе алгебраических соотношений Колмогорова, уравнения баланса турбулентной энергии и гипотезы турбулентного масштаба длины. Приводный слой описывается в рамках теории постоянных потоков с характерной шероховатостью поверхности, рассчитанной по модифицированной формуле Чарнока. Модель содержит в себе также ряд параметризаций различных физических процессов, а именно: штормовая интенсификация тепло- и влаго-обмена, сухо- и влагоадиабатическое перемешивание, учет радиационного баланса длинноволнового и коротковолнового диапозо-

нов, выпадение осадков, учет противоградиентных потоков тепла, влажности и компонент импульса.

Океанический блок модели параметризует конвективное и ветровое перемешивание в верхнем слое океана с образованием вертикально однородного слоя определенной глубины, основываясь на подходе, описанном в диссертации, и в определенной степени схожим с интегральными моделями.

Оба блока были подвержены верификации в работе с данными натурных наблюдений как в изолированном состоянии для каждой подсистемы, так и в совместном. В ходе этих экспериментов совершенствовались параметризационные процедуры, с одной стороны, и оценивался вклад различных процессов при формировании конкретной метеорологической ситуации, с другой, в том числе изучена роль фактора взаимодействия погранслоЭв.

В работе также разработан подход к включению модели как в виде отдельных блоков, так и в целом, в модель общей циркуляции атмосферы и океана, разрабатываемую в Вычислительном центре СО РАН.

Глава 1 содержит в себе описание модели деятельного слоя океана, полученную в результате ряда упрощений более общей Ь-е модели турбулентности. В первом параграфе главы проведен вывод основных уравнений, пригодных как для океана так и для атмосферы и позволяющих учитывать турбулентность посредством включения вертикальных турбулентных потоков. Во втором и третьем параграфах в более конкретном виде сформулирована постановка задачи моделирования деятельного слоя океана. Используя предположения о стационарности турбулентности и о квазиоднородности верхнего перемешанного слоя, удалось разбить численное решение задачи для каждого шага по времени на два этапа: первый заключается в параметризации, так называемой, фоновой турбулентности, которая реализуется посредством диффузионного приближения с малым и постоянным коэффициентом турбулентной вязкости (параграф 2), второй параметризует конвективное и ветровое перемешивание в верхнем слое с помощью процедуры, описанной в третьем параграфе. Основная идея данной параметризации заключается в установлении однородного распределения всех характеристик океана от поверхности до некоторой глубины Н, значение которой определяется при рассмотрен™ интегрального

энергетического баланса. Совмещение диффузионного и интегрального подходов позволяет избавиться от проблемы, так называемого, антивовлечения, эффекта характерного для интегральных моделей и не имеющего соответствующего физического аналога. В отличие от интегральных моделей в случае формирования нового перемешанного слоя старый либо сохраняется, либо разрушается «фоновой» диффузией. Построенная таким образом модель была протестирована на данных натурных наблюдений. Результаты этой проверки изложены в четвертом и пятом параграфах, где продемонстрированы возможности модели, как при моделировании в течение короткого срока (около недели) в одной точке в океане, так и при моделировании сезонной изменчивости. И в том и в другом случае модель дала удовлетворительные результаты при воспроизведении пространственно-временных характеристик верхнего слоя океана. Среднеквадратичные отклонения восстанавливаемой температуры поверхности океана от реально наблюдавшейся в ходе натурных измерений в первом случае составляет величину около 0,25°, во втором находится а пределах 1°. Шестой параграф главы посвящён проблеме включения описанной модели перемешанного слоя в модель общей циркуляции Мирового океана. Реализация такого включения дала ряд результатов относительно роли перемешанного слоя в динамике поверхностных вод, в частности, его учет привел к ориентации арктического циркумполярного течения в восточном направлении, начиная уже с поверхностного слоя; формированию струй пассатных течений в тропической зоне Атлантического и Тихого океанов; образованию замкнутых ячеек циркуляции в поверхностном и приповерхностном слое Индийского океана.

Во второй главе изложена модель планетарного пограничного слоя атмосферы над океаном. Основные уравнения данной модели представлены в первом параграфе главы. В виду большей насыще-ности погранслоя атмосферы различными физическими явлениями, оказалось более правильным идти не по пути упрощения модели, как в случае океана, а сконцентрироваться на более аккуратном учете разнообразных факторов, что требует более детального рассмотрения турбулентности (второй параграф), радиационно-облачных связей и гидрологического цикла (третий параграф). Используемые для верификации данные были получены в ходе экс-

•_а --

педиции по программе «Разрезы» на полигоне Куросио в 1985 году, описание которых приводится в четвертом параграфе. Тестирование модели методологически целесообразно проводить, рассматривая каждый механизм в отдельности, фиксируя те изменения, которые привносит в модель его параметризация. Эта работа шаг за шагом проведена в пятом параграфе. В нем было изучено влияние таких механизмов как адвективный крупномасштабный перенос тепла, противоградиентные турбулентные потоки, фазовые переходы влаги, радиация, штормовая активизация капельного тепловлагообмена. Среди них наибольшее влияние на восстанавливаемые характеристики в условиях данного эксперимента оказала крупномасштабная адвекция и учет противоградиентных потоков тепла. Подробный анализ моделей с различними способами турбулентного замыкания дан в шестом параграфе. Сравнение с данными натурных наблюдений показало, что наиболее точно восстанавливают вертикальную структуру и временную изменчивость полей модели, занимающие промежуточное положение по уровню сложности турбулентного замыкания. Модель, использующая для определения коэффициента турбулентносной вязкости уравнение баланса кинетической энергии турбулентности и гипотезу турбулентного масштаба длины, предложенную в работе Меллора и Ямады, оказалась лучшей среди других участвовавших в сравнении моделей. Наиболее удачной среди схем, параметризующих противоградиентные потоки, оказалась формула, предложенная В.Н.^ыкосовым, где величина противоградиента полагается пропорциональной вертикальной составляющей градиента величины в свободной атмосфере.

Глава 3 содержит в себе результаты некоторых исследований, проведенных с использованием совместной модели пограничных слоев атмосферы и океана. Роль различных процессов в пограничных слоях атмосферы и океана в формировании аномалий температуры и солёности поверхности океана изучена в первом параграфе. Наибольшая чувствительность этих характеристик отмечается по отношению к способам параметризации конвективного и ветрового перемешивания в океане, радиационного баланса и его взаимосвязи с облачностью в атмосфере. Различия в определении температуры могут в этих случаях составлять величины от одного до нескольких градусов. Во втором и третьем параграфах приведены результаты исследования с помощью совместной модели

некоторой формы параметризации двойной диффузии в океане, где выписаны также аналитические выражения, связывающие между собой турбулентные потоки тепла и соли. Необходимость такой связи возникает из анализа турбулентного потока массы, который, с одной стороны, складывается из потоков тепла и солей с учетом уравнения состояния, а с другой, согласно сложившимся представлениям, должен быть пропорционален вертикальной составляющей градиента плотности. Эти два условия могут вступать в противоречие, как только рассматриваются явления двойной диффузии, т.е. явления, в которых скорость диффузионных процессов для тепла и солей различны. Одним из способов разрешения данного противоречия может быть предложенная форма параметризации турбулентных потоков тепла и солей, учитывающая их взаимозависимость. Результаты численных экспериментов убедительно показывают состоятельность проведенных в связи с этим теоретических построений. В четвёртом параграфе проведен эксперимент с трехмерным вариантом данной модели, направленный на изучение отклика океанского верхнего слоя и глубинной циркуляции океана на интенсивное воздействие тропического циклона. Главные черты этого отклика заключаются в интенсификации теплообмена между океаном и атмосферой, формировании аномально холодного перемешанного слоя в следе циклона, образовании достаточно глубокой (до 600 м) экмановской ячейки. Кроме того, проведение данного эксперимента в районе течения Куросио выявило некоторые дополнительные особенности, позволяющие сделать предположение о влиянии тропических циклонов на формирование триг-герных механизмов, бимодальности Куросио.

В заключении подводится итог проделанной работы по созданию модели совместных пограничных слоев атмосферы и океана, очерчивается круг вопросов требующих своего скорейшего разрешения, а также формулируются окончательные выводы представляемой диссертационной работы.

В работе имеется также два приложения, содержание которых носит справочный характер и не может быть отнесено к основной теме диссертации. В Приложении А рассмотрены основные численные схемы и алгоритмы решения дифференциальных уравнений модели. Приложение Б даёт краткое описание программного пакета, созданного в результате работы автора по теме диссертации.

ю

Основные результаты диссертации

Прежде Есего следует отметить, что многие результаты, тлеющие отношение к выяснению физических аспектов процессов в пограничных слоях, явились следствием непосредственного использования численного моделирования с применением данных натурных наблюдений и сравнения результатов расчета с этими данными. Среди них:

» экспериментальная проверка противоградиентных гипотез с помощью численного моделирования, показавшая чувствительность модели по отношению к способам параметризации противоградиентных потоков и выделившая среди прочих один из вариантов, преложенных В.Н.Лыкосовым, где величина проти-воградиента полагается пропорциональной вертикальной составляющей градиента величины в свободной атмосфере; • построение параметризации вовлечения для модели деятельного слоя океана, проверенной в работе с данными на периодах от нескольких суток до года и включенной в модель общей циркуляции Мирового океана; а построение и экспериментальная проверка параметризации двойной диффузии в пограничном слое океана: численное моделирование и сравнение расчетов с данными натурных наблюдений показало, что наименьшая ошибка в определении поверхностных характеристик океана достигается при использовании параметризации отличающейся от классической; в сравнение и выявление особенностей различных Ь-е и Ъ-1 моделей турбулентного замыкания, показавшее большую эффективность промежуточных по уровню сложности моделей.

Кроме того, ряд результатов был получен в ходе применения разрабатываемой модели для моделирования различных ситуаций как локального, 'так и глобального плана.

Таковыми являются: о изучение отклика модели общей циркуляции Мирового океана на введение параметризации перемешанного слоя при моделировании стационарного летнего климата и сезонной изменчивости: как оказалось, наибольшие изменения произошли в структуре приповерхностных течений океана; о изучение спектральных свойств локальных моделей верхнего

слоя океана при моделировании сезонной изменчивости в северной части Атлантического океана, в ходе которого выяснилось, что основные гармоники сезонного хода температуры воды одинаково хорошо восстанавливаются как простыми, так и сложными моделями; • исследование роли различных процессов в пограничных слоях в формировании и развитии поверхностных аномалий температуры и солености, среди которых наиболее существенными оказались: конвективное и ветровое перемешивание в океане, радиационые притоки, формирование облачности и выпадение осадков;

» изучение отклика океана на воздействие тропического циклона в умеренных широтах, связанного с формированием термодинамической структуры вдоль траектории циклона, которая способна воздействовать на общую картину циркуляции в районе течения Куросио.

Дополнительным результатом диссертации является также программный продукт, исполненный на персональном компьютере IBM PC AT, рассчитанный на достаточно универсальное использование при моделировании совместных пограничных слоев атмосферы и океана.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лилосов В.Н., Платов Г.А.

Численное моделирование пограничного слоя атмосферы над ЭАЗО Куросио. — В сб.: Математическое моделирование процессов в пограничных слоях атмосферы и океана. М., 1989, с.66-92.

2. Платов Г.А.

Моделирование взаимодествующих пограничных слоёв атмосферы и океана в районе ЭАЗО Куросио: Препринт Jé 850. — Новосибирск, 1989. — 36 с. — В надзаг.: АН СССР, Сиб. отд-ние, Вычислительный центр. 3- Дмитриев И.В., Лшхпёв С.П., Музыченко А.Г., Платов Г.А. Численное моделирование сезонной изменчивости верхнего слоя океана: Препринт Jé 887. — Новосибирск, 1990. — 16 с. — В надзаг.: АН СССР, Сиб. отд-ние, Вычислительный центр. 4. Иванов Ю.А., Кузин В.И., Голубева E.H., Платов Г.А.

Результаты численного эксперимента по включению верхнего квазиоднородного слоя в модель циркуляции Мирового океана: Препринт № 895. — Новосибирск, 1990. — 23 с. — В надзаг.: АН СССР, Сиб. отд-ние, Вычислительный центр.

5. Голувева Б.Н., Иванов D.A., Кузин В.И., Платов Г.А. Численное моделирование циркуляции Мирового океана с учётом верхнего квазиоднородного .слоя. — Океанология, 1992, т.32, вып.з, с.395-405.

6. Lykoasov V.N., Platov G.A., Tonkachjayev E.B.

Simulation of air-sea interaction by the ooupled model of the atmospheric and oceanic boundary layers. — Researoh Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling (Edited by G.J.Boer), 1992, Rep. No. 17, p.9.38-9.39.

7. Golvbeva E.N., Kuzin 7.1., Martynov A.V., Platov G.A.

The ooean responce to the tropical cyclone over the Kuroshio region. — Novosibirsk, 1993. (в печати)

8. Lyk0330V V.N., Platov G.A.

Numerical modelling of the air-sea boundary layers interaction. — Sov.J.Numer.Anal.Math.Modelling, 1993- (B печати)