Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Гидродинамическое моделирование погодных последствий явления Эль-Ниньо в районе Южной Америки

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Гидродинамическое моделирование погодных последствий явления Эль-Ниньо в районе Южной Америки"

1 7 ПИТ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

Российский Государственный Гидрометеорологический Институт

На правах рукописи

СИЛЬВА ВИДАЛЬ Фей Йамина

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОГОДНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЬ-НИНЬО В РАЙОНЕ ЮЖНОЙ АМЕРИКИ

(11.00.09 — Метеорология, климатология, агрометеорология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена на кафедре метеорологических прогнозов Российского Государственного Гидрометеорологического Института.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Панин Б. Д.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Борисенков Е. П., кандидат технических наук Веселкин М. Г.

Ведущая организация: Военно-Космическая Краснознаменная Инженерная Академия им. А. Ф. Можайского.

Защита состоится 24 октября 1996 г. в 15.30 часов на заседании Специализированного Совета Д.063.19.02 Российского Государственного Гидрометеорологического Института.

Адрес: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного Гидрометеорологического Института.

Автореферат разослан «-¿^ » ^1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета РГГМИ доктор физико-математических наук

Л. И. Дивинский

Тип. ВАС. Зак. 70. Объем: 1 п. л.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования-

В последние годы внимание ученых всего мира привлекает явление )ль-Ниньо (ЭН)- Южное Колебание (ЮК), которое относится к рупномасштабным атмосферным процессам. Явление ЗН было известно <ителям Южной Америки уже в течение многих веков, когда ослабление ассатов и апвеллинга холодных вод у побережья Перу сопровождается рулными аномалиями погоды, термического и динамического состояния Тихого •кеана. а также ухудшением условий рыбного промысла в прибрежных водах. На >снове анализа материалов об явлениях ЗН 1957-1958 года Бьеркнес показал, то влияние положительных аномалий температуры воды в Тихом океане ущественно сказывается на изменении атмосферной циркуляции планетарного (асштаба.

Известно, что тропическая зона Тихого океана является самым мощным )сточником тепла, влаги и количества движения для атмосферы. В годы ЭН |роисходит усиление влияния тихоокеанских процессов взаимодействия 1Тмосферы и океана на весьма отдаленные регионы. После самого начительного за период инструментальных измерений повышения температуры юды в южном полушарии (ю п.) у побережья Перу летом 1982- 1983 года стало юно, что явление ЭН тесно связано с так называемым "Южным Колебанием". Это колебание" хорошо проявляется в "оппозиционных" изменениях атмосферного явления в южной части Тихого океана и на северо-востоке Индийского океана, 1То было обнаружено в 20 -х годах текущего столетия автором "метода мировой гагоды" Дж. Уокером. Явление ЭН возникает в годы определенной фазы Южного Колебания", когда происходит ослабление южнотихоокеаиского :убтропичэского антициклона. Поэтому изучение ЮК и явления ЭН (ЮК-ЭН) в ^следованиях последних десятилетий проводится совместно, как единого :рупномасштабного процесса ЭН-ЮК.

Явление ЭН имеет важное климатическое, экологическое и экономическое (начение. При его наступлении наблюдаются изменения в полях температуры юверхности океана (ТПО), давления и ветра, сильные колебания в количестве >садков на огромных территориях. Обильные дожди вызывают сатастрофические наводнения в обычно засушливой зоне (Перу), а также этмечается отсутствие осадков в районе плоскогорий Боливии и Перу.

Потепление воды уменьшает поступление кислорода в подповерхностные слс океана, что губительно действует на океаническую флору и фауну богатейте! перуанского продуктивного района. Для Перу исследование явления ЭН в цел: лучшего понимания атмосферных процессов является первостепенно важным точки зрения педотвращения катастрофических последствий, вызванн! аномальными и интенсивными осадками, а также рационального использован! осадков в отраслях народного хозяйства этих районов, где в другие го; количество осадков мало или их вообще не бывает.

В связи с этим, весьма актуальной представляется зада гидродинамического моделирования атмосферных процессов в тропическ 'зоне в годы когда наблюдается явление ЭН-КЖ и при его отсутствии.

Целью работы являлось моделирование погодных условий и в перв; очередь крупномасштабного и конвективного влагооборота (интенсивные осад и засухи), полей облачности с учетом циркуляционных механизмов и ТГ связанных с влиянием ЭН-ЮК.

При атом решались следующие задачи:

1 .разработка тропической региональной неадиабатической модели вложенной сетке;

2.разработка схем параметризации планетарного пограничного сл турбулентности в свободной, атмосфере, крупномасштабной' конденсац влажной и сухой конвекции, испарения осадков, лучистого теплообмена орографических эффектов;

3.решение проблем получения полей метеовеличин, С использовав 'моделирования в режиме четырехмерного усвоения;

4.выполнить настройку гидродинамической прогностической модели и частности, всех параметризационных схем с целью лучшего воспроизведе! явлений погоды в тропической зоне Американского континента с учетом влия! явления ЭН-ЮК.

Научная новизна работы состоит в том, ' что разработ гидродинамическая модель на вложенной сетке для тропической зоны Амери> комплекс схем параметризации, которые позволяют моделировать погод| условия в любое время года и в том числе при наступлении явления ЗН-Ь опираясь даже на весьма некомплектные данные с использованием лроцед четырехмерного усвоения данных.

Практическая ценность работы

Разработанная и реализованная, в виде комплекса программ на ЭВМ эгиональная тропическая модель с учетом параметризации всех физических эоцессов, может быть использована в оперативной практике службой погоды еру и других стран Южной и Центральной Америки.

Основные положения, выносимые на защиту

^.региональная тропическая модель и модель на вложенной сетке;

2.методы параметризации физических процессов включая 5упномасштабную конденсацию, сухую и влажную конвекцию, испарение :адков, турбулентность, лучистый теплообмен и орографические эффекты;

3.результаты моделирования метеорологических последствий ЭН-ЮК, а [кже оценки влияния параметризуемых физических процессов1 на погоду, в том юле, на формирование осадков в условиях Эль-НинЫэ и анти-Эль-Ниньо.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных ¡минарах на-кафедре метеорологических прогнозов РГГМИ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения объемом 153 ■раницы'машинописного текста, и содежит 12 таблиц, 38 рисунков 11 из них в эиложении, список цитируемой литературы из 123 наименований; 66 из них на «остранном языке,

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы и цель диссертации, а'также »учная и практическая ценность работы, перечислены основные положения; вносимые на защиту. Кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе рассматриваются основные особенности циркуляционных гханизмов в тропической зоне, в частности, над Южной Америкой. Известно, о при наступлении ЭН-ЮК происходит перестройка циркуляции атмосферы: зэтому целесообразно рассматривать циркуляционные механизмы не. только; щ Южной Америкой, но и в тропической зоне вообще.

В разделе 1.1 дано общее представление об атмосферной циркуляции над' 1жной Америкой, которая является частью общей циркуляции атмосферы и' )едставляет собой сочетание всех систем движения воздушных масс, шествующих в атмосфере, включая циклоны и антициклоны. Источником'

энергии для возникновения всех систем циркуляции является солнечна радиация. Так как. наибольшее количество солнечной энергии поступает н землю в экваториальной зоне, то в этой зоне наблюдается наибольший прогре воздушных масс, что приводит к появлению межширотного градиент атмосферного давления. Таким образом возникают горизонтальные вертикальные течения, которые переносят влажность и энергию в атмосфер! известные как-Ячейки Гадлея и Уокера. Циркуляция атмосферы над Южнс Америкой связана с географическим положением материка, его размерами формой. Устойчивые мощные пассатные течения северного и южног полушарий в области их сходимости у экватора формируют внутритропическу зону конвергенции (ВЗК) воздушных масс.

Раздел 1.2 посвящен движениям в области ВЗК, с которой cвязa^ интенсивная конвекция и обильные осадки в районе экватора. Летом (ю.г влияние ВЗК достигает зоны сельвы Перу, ее влияние сопровождает« северными переносами на уровнях между уровнями .100 и 250 гПД. Наличие зоь дивергенции на высоте и конвергенции у земной поверхности подтверждает! снимками со спутников, на которых проспеживается облачная погода к югу I экватора, достигающая в некоторых случаях северного побережья Перу. Эт процесс приводит к ухудшению погоды на длительный период.

В разделе 1.3 рассматриваются характеристики климата Пер Преобладающие в тропической зоне восточные воздушные поуоки созда» наилучшие условия для увлажнения восточных склонов гор в районе Амазонски Сельвы, где годовые суммы осадков могут достигать более 2800 мм. Воздушш массы, приходящие с востока, освобождаются от влаги на восточных склон Анд и опускаются на западных склонах (в районе Косты) с характерн относительной влажностью около 60%. Наличие холодного морского течень несущего вдоль западного побережья Южной Америки к экватору воды субполярной зоны Тихого океана, благоприятствует антициклоническому ти погоды. Таким образом в районе Косты мощные потоки солнечной радиации близость сравнительно холодного океана создают условия для возникновен пустынь.

''И

В разделе 1.4 кратко рассматривается характер распределения осадкоь тропической части Американского континента Особое внимание уделяет распределению осадков в Южной Америке, особенность распределения осад*

состоит в том, что обширная часть ее обильно увлажняется осадками, годовая сумма которых превышает 3000 : мм. Высокий барьер Анд оказывает экранирующее воздействие на воздушные массы атлантического и тихоокеанского происхождения. На склонах Анд выделяются площади с увеличенным количеством осадков, обусловленными влиянием орографии.

В разделе 1.5 представлен обзор явления ЭН-ЮК. Пространственные масштабы ЭН, области конвекции связанные с ЭН, его влияние на климат и погоду, а также основные фазы развития ЭН.

Первоначально термином Эль—Ниньо обозначали теплое, направленное к югу, течение, появляющееся у берегов Эквадора и Перу в январе-марте. Оно знаменует окончание сезона местного рыболовного промысла, в течение которого отмечаются низкие ТПО и сильные юго-восточные (ЮВ) пассаты (пассаты вызывают перемещение поверхностных вод в восточной части Тихого океана к западу от берега и, таким образом, приводят к апвелингу холодных богатых нитратами вод вблизи берега).

/окер описал ЮК следующим образом: "Если над Тихим океаном давление высокое, в Индийском океане от Африки до Австралии оно оказывается обычно низким". Таким образом под ЮК понимают межгодовые изменения полей приземного давления, ветра и осадков, имеющих противоположные знаки аномалий в тропических зонах восточного и западного полушарий. Особенно отличия ЮК проявляются в обмене воздухом между Индийским и Тихим океанами. При росте атмосферного давления а центральной и восточной частях тропической зоны Тихого океана наблюдается падение давления в тропиках Индийского океана, а также в районах Австралии и Индонезии. Чередование знака аномалий давления вдоль тропической зоны океанов, напоминает гигантские "качели" массы воздуха между восточным и западным полушариями. ЮК имеет своего рода два центра действия, с одной стороны австралийско-индонезийский, а с другой- южнотихоокеанский. Они противоположного знака и расположены в тропиках южного полушария. .

Бьеркнес первым объяснил Эль-Ниньо Южным колебанием: когда в системе повышенного давления у острова Пасхи давление растет, а в системе пониженного давления над Индонезией и северной Австралией оно падает. Бьеркнес пришел к выводу, что ЭН возникает при низких значениях индекса южного колебания (с), представляющего собой отклонения от норм разности

давлений на острое.е Таити и в Дарвине. Оно появляется когда индекс, достигнув максимального значения, начинает резко уменьшаться, а ЭН достигает своего максимального развития, когда С принимает наименьшее значение. Индекс ЮК имеет отрицательную корреляцию с ТПО. Чем больше С, тем ниже ТПО, и чем больше по модулю отрицательное значение с, тем выше ТПО.

В отдельные годы ТПО в теплый сезон становится исключительно высокой и продолжает оставаться такой в течение сезона (когда обычно имеет место алвелинг). В определенной фазе ЮК при ослаблении южнотихоокеанского антициклона и юго-восточного пассата может возникнуть явление ЭН, когда, у побережья Перу появляются относительно теплые воды и возникают крупные аномалии атмосферных осадков. Промежуток времени между двумя проявлениями ЭН может колебаться от 2 до 10 лет.

Анализ результатов численного моделирования и данных наблюдений показывает, что явление ЭН-ЮК оказывает влияние на климат и погоду в глобальном масштаба, особенно в тропиках.

Во второй главе приведена система полных уравнений региональной тропической модели (РТМ) и модели на вложенной сетке (ВМ), определена область исследования, методы численной реализации, обсуждаются процедуры четырехмерного усвоения данных, обработка начальных данных и боковые граничные условия для ВМ.

Область моделирования для РТМ, находится в зоне от 140°зд. до 0° и от 42.2б"с.ш. до 42.2б°ю.ш., горизонтальный шаг которой разен ДЛ'„ = 300 км, шаг по

I

времени Д;р =12мин. Для ВМ область моделирования ограничена 29 и 99°з д. и 23° с.ш. и 23° ю.ш., дя, =150 км., д/,=бмин. Число узлов сеток, для которых производятся расчеты, равно 425 (для обоих моделей).

Система полных квазистатистических уравнений гидротермодинамики е изобарической системе координат имеет следующий вид:

аи , Г?" си СИ ,

-+м(и-+»'-+-)+!!---¡Г^/^ +Р ,

171 СХ Су С'х Рр

дч су ах с?Ф ох , т

— +т(и — + \--+--)+1г — + /»=/•„ +/• ,

а( ах су су ср

сЪ г\' /?н> „ — +—+ —= 0 , ах су ср

дТ — + т с!

, дТ сТ (V , г,т „

Л о' ср г я

Г—"-*? , (1)

Л Г/)

да да да да , „

+ /и (н4- + „■ - = /■ ' + Р + е , с1 сх су с/>

где обозначения общепринятые.

Члены в правых частях уравнений (1) Г„ , , Е, и Г описывают

вертикальные турбулентные притоки количества движения по осям х и у и притоки тепла и влаги соответственно, члены Г/ , , /"/ и Г^ описывают притоки соответствующих величин, обусловленные горизонтальной подсеточной вихревой турбулентностью; г, -притоки и стоки тепла и влаги

соответственно;

е, = — (с *-е * +с - с) + — 0 + — (?« , (2)

с,, сг сг

'*-е*+с-е , (3)

где .^ -скрытое тепло конденсации; с* , е*-скорости крупномасштабной конденсации водяного пара и испарения осадков; с ,е -скорости конвективной конденсации водяного пара и испарения конвективных осадков; -приток тепла за счет сухой конвекции; - радиационный приток тепла.

Уравнение притока тепла преобразуется с помощью уравнения статики. После интегрирования этого уравнения пор в пределах от произвольного уровня с давлением р до уровня нижней границы модельной атмосферы с давлением Р= Ро (Л) = 1000 гПа), получается уравнение для геопотенциала

д Ф [ е-7Ф гФ. „ —- + т\ и— + V — - +

' V др дх др ду)

¿7 \ е?х ду,

' г ■ (4)

где г =

сФ ( гФ ¿4)

--+ /и и-+ V--

(Н I. дх дх

(5)

^—v'-'O',,-/) • (6)

■Я*"

В моделях используется стандартное распределение температуры по высоте, а /•; определяется с помощью нижнего граничного усповия. Система уравнений (1) интегрируется численно на двух сетках. Для обеих моделей ставятся одинаковые граничные условия пор. Нп верхней границе при /> = 0:

«• = 0 : ,, = 0 ; + —= 0 ; = = = 0 . (7)

¿х /у /}> /)> гр

ИТ

На нижней границе при р - />.,: /\v - я,, - ■-'- +¿,мг0р +'"ф, > (8)

Рп

где ii„-эмпирический коэффициент (1/3<«„<1); индексом "о" обозначены величины на поверхности 1000 гПа; /-^--член описывающий совместное влияние орографии и турбулентности; i

,гор = ".<•' + v.v О)

е>х су

-орофафическая вертикальная скорость, обусловленная обтеканием рельефа (как идельной жидкостью), \г0 = И ' + |Ф* аналог вертикальной скорости

на уровне /> = /'„, г -высота поверхности сглаженного рельефа.

i

ns , vv - скорость ветра на высоте :s. I

Из выражения (8) видно, что в модели учитывается тенденция геопотенциала (c<i>/ci)s = j? иор, обусловленная влиянием 'орографии и турбулентностью. На уровне поверхности (/'=/',.) задаются потоки импульса

гхп , гуп, тепла (7Тп и влаги /fqn:

—> ->

Г«п = Росп > ''/./и,, , гуп = />„Г() / I V V,, .

£?Тл = P»cnC\ATs-Th)l Г л/ . £qn =A,i',,(<7(/:s)-<7„)/>''■/ • индекс h указывает, что и и v относятся к верхней границе приземного слоя (70м); '/],. -температура поверхности океана, задается по данным измерений неизменной во времени, для рассматриваемого интервала как функция от х и у. А

температура поверхности суши рассчитывается с помощью уравнений бюджета энергии

= -[бгж+ ¿] — + ¿к.* (I - Л*) + ¿¡¡.х (1 - ¿л) - ''л -г "Л? - «у ■ (И)

где Тх' , А' -температура и коэффициент теплопроводности почвы; нх -поток тепла в почву; , <Ул- -потоки нисходящего коротковолнового

(солнечного) и инфракрасного излучений, альбедо и относительный коэффициент излучения поверхности; а Т* -абсолютно черное излучение поверхности; <т-постоянная Стефана-Больцмана.

На западной и восточной границах области РТМ ставились боковые граничные условия в следующем виде:

На северной и южной границах задаются следующие граничные условия: и/. 1) = 1 [10 , 3) - \у/Д* {!(' + 1 • 2)- ((/- 1 , 2)}] ,

f(/.J)=;;( f(/,J - 2)-Ьу/Лх {(<; + I . j-1)-»(/- 1 ,j - I))] .

где/=1 и/^-определяют южную и северную границы соответственно; f-и, v, Ф; /7— (24 Ч.-0/24 ч. если t <24 ч. и t/-0 если / >24 ч.

Начальные условия задаются в виде трехмерных полей:

= > V(.T,V,P>!„0 = v„ , <7(*,.V,P);,=0 =<7„ , Ф(х,у,)»'11к0 = Ф„ Вертикальная структура модельной атмосферы для основной и вложенной сеток представляется 6 уровнями 1000, 850, 700, 500, 300 и 100 гПа. Выше уровня 300 гПа атмосфера считается сухой. На каждом уровне поля всех метеовеличин задаются значениями в узлах шахматной сетки. На этой сетке функции Ф, u,\\q в один и тот же момент времени и через два шага по времени размещаются в одних и тех же точках, отстоящих друг от друга на 2&S(AS = At = Ду). Величина w размещается на каждом шаге по времени в точках, сдвинутых на ДS относительно точек с значениями Ф,1/, v,q. Для усиления связи решений на двух соседных шагах по времени применяется сгециальная процедура сглаживания. Вертикальная скорость вычисляется с помощью уравнения неразрывности. Прогностические значения температуры вычисляются по значениям геопотенциала с использованием интерполяционного полинома Пагранжа,

который получен с помощью уравнения статики. Приземное давление рассчитывается по геопотенциглу поверхности 1000 гПа.

В разделе 2.6 обсуждаются боковые граничные условия для модели на вложенной сетке. При оттоке воздуха на границе вложенной сетки граничные услоэия уточняются с помощью прогностических значений зависимых переменных во внутренних узлах мелкой сетки, отстоящих от границы на один и два шага. Для исключения вычислительных шумов в приграничных зонах, применяется процедура сглаживания.

В разделе 2.7 описан метод интерпопяции исходных данных из точек в сферических координатах в узлы регулярной сетки для проекции Меркатора.

В разделе 2.8 кратко описана процедура четырехмерного усвоения данных. Согласование данных при этом реализуется по схеме Эйлера с пересчетом "вперед-назад".

Третья глава полностью посвящена параметризациям физических процессов подсеточного масштаба. !

В раздепе 3.1 описывается параметризация процессов в планетарном пограничном слое (ППС) по методу Дирдорфа, где на нижней границе пограничного слоя потоки тегщ едаги и . импульса рассчитываются по формупам подобные (10). В эт§м Мётодо вместо температуры используется потенциальная температура, нижнюю границу задают на высоте анемометра.

Параметризационные уравнения, описывающие вертикальные профили метеовеличин, получены на основе эмпирических уравнений для приземного (приводного) слоя и уравнений трехмерной численной модели пограничного слоя. При этом используются представления вертикальных профилей ветра, температуры и влажности в приземном (приводном) слое за исключением вязкого слоя с .помощью универсальных функций, зависящих только от отношения (г/Л), где - -относительная высота и ¿.-масштаб длины Монина-Обухова. Характер стратификации пограничного слоя оценивается с помощью интегрального числа Ричардсона. Этот метод параметризации ПС, позволяет рассчитывать высоту (/<) ПС.

В этом же разделе рассматривается турбулентность (горизонтальная и вертикальная) выше ППС.

В разделе 3.2 рассматриваются два метода параметризации процессов крупномасштабной конденсации (КМК). В первом методе скорости конденсации (С*), расчитывается с помощью функции конденсации (ФК), поэтому его называют методом СОК. а второй -это метод Манабе-Стикпера (МС), он позволяет учитывать взаимное влияние тепла конденсации на температуру и влияние температуры на условия конденсации, его осуществляют с помощью итерационной процедуры. В обоих методах, предполагается, что конденсация имеет место при/>/4, , (/* £ 100%-критическое значение относительной влажности), а количество осадков' из единичного столба воздуха за время Г,

V '"

рассчитывается по формуле: (Г* = -- ^ ['С* ф<//

Учет испарения осадков (ИО) осуществляется с помощью метода Кесспера.

Раздел 3.3 посвящен параметризации кучевой (КК) и сухой конвекции (СК) по методу Куо.

Кучевая конвекция параметризуется по модифицированной схеме Куо, она позволяет определить скорости нагревания и увлажнения воздуха за счет конвекции; площадь, занятая'облаками (балл), а также количество осадков. В этом методе учитывается влияние вовлечения воздуха на температуру облака. При этом полагается, что при вовлечении воздуха в облака, насыщенность воздуха влагой в облаках сохраняется.

В этом же разделе рассматривается параметризация сухой конвекции, которая также основана на методе Куо. При неустойчивой стратификации ненасыщенного влагой воздуха возникает сухая конвекция. Воздух сухоадиабатически поднимается до уровня; где теряется плавучесть, т.е: где температура становится равной температуре окружения. В зоне сухой конвекции воздух обладает повышенной энергией по сравнению с окружением.

В разделе 3.4 рассматривается параметризация лучистого теппообмена (ЛТ), коротковолновой и длинноволновой радиации.

При определении потоков длинноволновой радиации используются следующие граничные условия: на верхней границе атмосферы = 0 ; на нижней границе = оТу +(1 Г* , где /^и К1 -нисходящий и восходящий потоки; -температура подстилающей поверхности, ¿-коэффициент "серости" земной поверхности.

При сплошном однослойной облачности потоки и р' на расчётном

уровне /описываются выражениями;

гот,

Р1(\-т,)=аТ* Г,\\-т,-хт)+ 1аТ*<Н>,\хт,-и) , (14)

гт уп,1

р\\-т,)~аТ*/\(Л/-гт,)+ ¡сгГ^Р^О - гт,) . (15)

А/

где гт,, и, М-массы водяного пара в слое от верхней границы атмосферы до уровня расчета, до текущего переменного уровня и до земной поверхности соответственно.

При многослойной частичной облачности потоки описываются выражениями:

/г1 = £ ПО "'Vх {(°8 аТ* + 0.2 а Гц4. ,)[/*, (лщ - ушк, ст,-стк)~

1 ' ( (16)

-1) (гт, ~ (.';», - стк_,)]+ а Р, (V«», - пп1._1,ст1 - ст) | ,

гТ = А', <т '/',4 + У П (I - Л', ) к ((06 а Тк + 0,4 сг 7,4,,) (/', (\»<, - V/»,,стк - ст.) -

Тл)Л 1 ' • (17)

II, " 'Ч.ст^, - ст, ^ + и стГД, Я,.(у/н4,, - уот„о»ь| - ст,) } ,

где п=7~число слоев в радиационном блоке; ,Л', ,-балл облачности на рассматриваемых уровнях, (на уровне А+1 Л^», =1). ■

При параметризации потоков коротковолновой радиации на верхней границе атмосферы, Б' = ¿\, ;/„ разбивается на две части: ультрафиолетовую +■ видимую 5\Т,, = 0.488 5 , и близкую ИК-области спектра „ = 0.522 5 , где -солнечная постаянная; р„=со-косинус зенитного угла Солнца. В ультрафиолетовой и видимой областях спектра учитывается рассеяние на молекулах воздуха, рассеяние облачным и твердым аэрозолем и поглощение озоном.

В безоблачных условиях нисходящий лоток радиации рассчитивается по формуле:

=5* (1-Л„)Р0Э , (18)

/^-О.Эб- численнное значение функции пропускания озоном; к, - альбздо

атмосферы при релеевском рассеянии с учетом влияния облачности и подстилающей поверхности.

Излучение, приходящее на уровень / , расположенный 'под облаком, рассчитывается по формуле, учитывающей вклад облачной и безоблачной частей атмосферы,

St, =sb0(\-N,) + s;60(\-Avl)N, , (19)

ИЛИ S*,=.!>w6o(l-'Vv,) , (20)

где /ivi -альбедо облака, распопоженного на уровне /.

С учетом влияния облачной и безоблачной частей атмосферы, падающие потоки ИК-радиации на уровне i (SJtl) рассчитываются по формуле

si, = fo fid - <v* + n„ щ > pR(x„ > , (21)

где TRk = 1 - At - рь -функции пропускания облака; /У, -поглощательная способность облака; /'„(.г,,) -ИФП Краснокутской -Фейгельсон.

Прохождение отраженного потока между облаками и земной поверхностью учитывается введением поправки к альбедо поверхности в видимой и в ИК областях спектра

В разделе 3.5 рассмотрен учет орографических эффектов (ОЭ), необходимость уточнения вертикальной скорости. Один из методов учета ОЭ, заключается в уточнении нижного граничного условия по формуле (9). В других подходах, йа основе первого варианта вводится учет влияния орографии на формирование вертикальных движений и (или) на деформацию ветра.

Влияние земной поверхности на формирование вертикальных движений учитывается с помощью и-уравнения, из которого получена функция влияния орографии на формурование вертикальных движений, эта функция для крупномасштабной орографии монотонно убывает с высотой.

Предполагается, что под воздействием репьефа возникает не только

вертикальная скорость (и'ор) но и изменяется горизонтальный ветер (rj ). Из

условия сохранения импульса следует: jl^'j = |KV- "'ос • Поскольку значение и'ор —>

значительно меньше то изменения модуля вектора ветра незначительны.

Поэтому влияние орографии на ветер, в основном, проводит к изменению1 направления ветра.

Для учета влияния орографии на процессы турбулентного обмена коэффициент сопротивления в формулах для турбулентных потоков импульса, тепла и влаги увеличивается в е(гч) раз.

В четвертой главе по результатам моделирования оценивается влияние Эль-Ниньо и анти-Эль-Ниньо на погодные условия Южной Америки с учетом параметризации всех физических процессов, а также оценивается роль каждого физического процесса.

В разделе 4.1 кратко рассматривается методика проведения численных экспериментов. По фактическими данными'о начальных значениях Рх, Ф(р), с/, выполнялось моделирование погодных условий для района ВМ на интервалах времени от 31 декабря до 15 января 1983г и от 10 до 20 июня 1981г. При этом имевшиеся некомплектные фактические поля влажности (¡у), температуры воздуха (/) и ветра использовались для оценки результатов моделирования (через сутки, двое суток и т.д.), а фактические поля приземного давления [Рх), геопотенциала изобарических поверхностей (Ф(/>)) и ТПО (Гпо) использобапись за те сроки, в которые применялась процедура четырехмерного усвоения

Процедура четырехмерного усвоения производилась с помощью модели в адиабатическом варианте в режиме псевдопрогноза по схеме Эйлера с пересчетом.

В разделе 4.2 проводится оценка влияния неадиабатических процессов и настройка блоков параметризации.

При исключении блока ПС наблюдаются завышенные значения давления и заниженны количества осадков. Отключение блока ППС и фиксация его высоты А сопровождаются резким ухудшением прогнозов всех метеовеличин и, в частности, уменьшением количества осадков.

Параметризация КМК проводится по методу функции конденсации (ФК) и по методу Манабе-Стриклера (МС). При параметризации КМК по методу МС количество осадков почти в 10 раз больше, чем по методу ФК. Количество осадков сильно зависит от , при этом, исходя из результатов моделирования количество осадков, было выбрано наиболее подходящее значение для /к, равным 90%, для обоих методов. В связи с тем, что отсутствовали фактические

ежедневные данные об осадках для оценки результатов, в диссертационной работе использовались оба метода.

В схеме параметризации кучевой конвекции одним ий существенно влияющих факторов на температуру в облаке является вовлечение воздуха Учет вовлечения воздуха проводится с помощью коэффициента который ■подбирается по результатам моделирования. Полученные результаты показали, •что с увеличением вовлечения интенсивность осадков уменьшается, а высота верхней границы облака при кг =0.1 примерно в два раза меньше, чем при кд =0 01 и 0 001. Площадь облаков (а) и интенсивность осадков а также скорость вовлечения {А) и мощность облаков сильно зависят от коэффициента А( и от метода расчета и. При этом наиболее подходящее значение для

составляет 001 м ' .

Параметризация сухой конвекции позволяет устранять вычислительную неустойчивость модели, а также улучшает качество моделирования давления и геопотенциала на разных уровнях.

Испарение осадков препятствует эффекту увлажнения и уменьшает количество осадков. Таким образом ИО может его уменьшать почти на 30-50%.

Полученные результаты показали, что суммарный радиационный баланс земной поверхности для области ВМ меняется от зимы к лету в широком пределе. Большая доля изменений темлератуы за с^ет лучистого теплообмена (ЛТ) происходит за счет коротковолновой радиации.

Степень сглаживания рельефа сильно влияет на качество моделирования. Проводились также численные эксперименты для проверки качества прогнозов приземного давления и геопотенциала. Наименьшая средняя относительная ошибка (с) и наибольший коэффициент корреляции (р) суточного прогноза полей геопотенциала и приземного давления были получены для варианта, когда использовалась модель рельефа при сглаживании во всех точках, где гх ¿3000 м (0 74 и 0.77 соотвествеино), а для варианта без сглаживания е=1.26. Ошибки для геопотенциала наиболее существенны в нижнем 5-ти км слое, здесь г, для случае без-сглаживания ( г.= |.?5 для АТ-700) почти на 60% больше, чем при сглаживании (г-0.86). Таким образом, учет орографии без предварительного

сглаживания может отрицательно влиять на качество результатов

моделирования.

При настройке блоков параметризации преследовалась цель улучшения схем параметризации с тем, чтобы они учитывали характерные особенности данного района в условиях появления явления Эль-Ииньо, или когда оно отсутствует. При эгом мы имели в виду, что такая настройка блоков параметризации должна прежде всего подправить те параметры с помощью которых, регулируются крупномасштабная и конвективная конденсация и процесс испарения осадков. К таким параметрам относятся значение /ь и Х'д. Кроме этого корректировались коэффициенты с помощью которых регулируется количество испарившихся осадков и другие параметры модели. Корректировка параметров проводилась с помощью функции чувствительности.

В разделе 4.3 приводятся результаты моделирования для июня 1981Г (Анти-ЭН) и для января 1983г. (ЭН).

В результате моделирования погоды с учетом всех неадиабатических процессов, в том числе и орографии, получены суммы осадков за 10 дней, для июня 1331 г (Анти-ЭН). Максимальное количество осадков в это время приходится на западную и центральную части Южной Америки. Результаты моделирования показали, что учет радиации и ПС приводит к большим суммам количества осадков, достигающим 139 мм, тогда как при отключении этих блоков сумма осадков равна 66 мм. Возмущения в полях давления и циркуляции в основном связаны с влиянием орографических эффектов, которые также сильно влияют и на перераспределение осадков. Осадки с учетом ОЭ на много больше, чем без него. К сожелению, мы на имели ежедневных фактических данных об осадках. Поэтому приходилось весьма орентировочно оценивать их по месячным значениям. Почти 50% из полученных количеств осадков обусловлено влиянием процессов в нижнем прилегающем к земной поверхности слое. Появление области с осадками более 40 мм в экваториальной Атлантике вблизи мысы Капканьяра. обясняется влиянием процессов в ПС и теплом, поступающим в атмосферу с теплой водной поверхности Атлантического океана.

В исследуемый интервал времени практически мало проявляется воздействие процессов в Тихом океане южнее экватора, так как в это время года (зима ю.п.) ТПО довольно низкая, но севернее экватора, особенно вблизи Центральной Америки это влияние увеличиваются. Учет процессов в ПС И

лучистого теплообмена, а также влагооборота (крупномасштабной и конвективной конденсации) позволяет бопее реально смоделировать поля осадков в центральном районе Южной Америки, куда благодаря С-В пассата поступает теплый морской воздух из Атлантики.

Ниже рассматриваются результаты моделирования для января 1983г (ЭН).

Оценивая детально количество осадков, выпадающее на северо западе территории Перу в рассматриваемый период, где в другие годы осадки практически не выпадают, можно сказать, что интенсивные осадки в этом районе возникает под влиянием аномального положения широтной полосы облаков и ВЗК, примерно на 500-600 км южнее своего нормального положения. Аномальное положение ВЗК связано в свою очередь с ослаблением пассатных ветров в восточной части южно-тихоокеанского антициклона. Анализ полей ветра и влажности, показывает, что 5 января в рассматриваемом районе появляется огромная зона повышенной влажности. Возможно ее появление связано с синоптическим возмущением в системе восточных ветров над континентом. Ее появление можно объяснить дивергенцией в высоких слоях атмосферы, а также адвекцией теплых воздушных масс и их конвергенцией над поверхностью суши. Между уровнями 850 и 700 гПа преобладают С-В ветры а выше (700-100 гПа) восточные ветры. В результате облака, которым удается пересечь Анды со стороны Атлантического океана и достичь побережья Тихого океана, снова насыщаются влагой в результате испарения с теплой поверхности Тихого океана и они становятся источником интенсивных осадков. Именно 5

января начались катастрофические осадки над территориями севера Перу и

f

Эквадора, Об этом свидетельствуют и результаты нашего моделирования. До этого времени небольшие, но уже аномспьные осадки имепи место в основном западнее Эквадора над Тихим океаном. Эти результаты моделирования хорошо согласуются с фактическими данными.

Интенсивные осадки на северо-западе Перу и юге Эквадора, по полученным нами результатам моделирования, связаны главным образом с аномальным положением попссы облачности ВЗК, которая первоначально имеет атланти"есксе происхождение, переходит через Анды, затем еще увлажняется над Тихим океаном и за счет конвергенции в области низкого давления начинается интенсивная конденсация, сопровождаемая обильными осадками,. Хотя по мнению других авторов, аномальные ливневые ссадки в районе;

северо-запада Перу и их недостаток на плоскогорьях Перу и Боливии, имеет иное лроисхожнение. Считается, что эти аномалии связаны с изменением атмосферной циркуляции воздуха над Южной Америкой. Термическая циклоническая система, которая обычно находится ближе к Аргентине, перемещается по некоторым причинам аномально к северу и северу западу. Согласно полученным нами результатам моделирования, большой влияние области аргентинской депрессии не наблюдается, хотя она и прослеживается и действительно смещена к северу. Возможно, что и ее смещение к северу связано с процессами над Тихимм океаном из -за влияния явления ЭН-ЮК. Осадки над Тихим океанам имеют не только конвективный харакатер но и связаны с крупномасштабными процессами над Тихим океаном. Область осадков внутри материка связана с орографическими эффектами и конвекцией.

По результатам моделирования, влияние явления ЭН-ЮК проявляется в виде катастрофических осадков, которые выпадают на северо-западе Перу и юге Эквадора В тоже время, на плоскогорьях Перу и Боливии, по результатам моделирования, имеет место засушливость (недостаток осадков). Такой режим осадков характерен для летного периода в годы ЭН-ЮК, что дает основание полагать, что результаты моделирования, хорошо согласуются .с фактическими данными о погодных последствиях явления ЭН-ЮК.

В заключении сформулированы основные выводы работы.

По результатам проведенных исследований получены следующие результаты и выводы.

1.Разработан метод интерполяции метеовеличин и данных об орографии со сферической сетки на регулярную.

2.Разработаны неадиабатические гидродинамические модели, основанные на полных уравненях: региональная тропическая модель и модель на вложенной сетке.

3.По результатам моделирования на 24 часа с помощью адиабатического варианта обеих моделей, проведен анализ различных вариантов граничных условий для модели на вложенной'сетке. При этом наиболее подходящими оказались нестационарные граничные условия, изменяемые по результатам прогноза через Дг,=1 час и Д/, =8 часов. При наличии оттока воздуха на границе вложенной сетки рекомендуется вводить корректировку граничных условий.

А С помощью разработанной модели выполнено моделирование погодных последствий влияния явления Эль Ниньо, с использованием процедуры четырехмерного усвоения данных (дискретной схемы пространственно-временного анализа и непрерывней схемы пространственно-временного анализа и прогноза),

5.Разработаны схемы параметризации всех процессов поасеточного масштаба, включая орографию южноамериканского континента, где большую роль играют Анды, расположенные почти меридионально на протяжении более чем 9000 км

6 В схеме параметризации процессов о пограничном слое, предусмотрен расчет высоты верхней границе ПС (с помощью прогностического уравнения), которая по полученным результатам имеет значительную пространственно- временную изменчивость и существенно влияет на величину потоков и притоков тепла, влаги и импульса.

7 Предложен алгоритм учета испарения осадков. Показано, что испарение конветивных и крупномасштабных осадков может достигать 30-50% от общего их количества.

8.Проведена настройка модели путем уточнения параметров регулирующих процесс конденсации и испарения осадков

9 Показано, что суммарный радиационный баланс земной поверхности меняется от зимы к лету в среднем на 60-100 Вт/мг. Показана роль радиации в формировании осадков. По результатам моделирования для января месяца количество осадков без учета длинноволновой и коротковолновой радиации равно 30 мм/15 суток, а с учетом 60 мм/15 суток.

10 Анализ влияния конвекции позволил установить, что обильные осадки на северо-западе Перу и Эквадора а также в восточной экваториальной части Тихого океана имеют конвективное происхождение, что соответствует теории о том, что явление ЭН-ЮК связано с нарушением циркуляции Уокера. В результате этого нарушения конвективная область на северо-западе Индонезии • оказывается смещенной к центральной и восточной частям Тихого океана, достигая восточного побережья Южной Америки.

11 .Показано, что разработанная параметризация орографии способствует не только уточнению моделирования особенностей циркуляции атмосферы над

Южной Америкой, но более реальному моделированию пространственного распределения, а также количества осадкоп. При этом наиболее реальные результаты получены при корректировке вертикальной скорости, обусловленной обтеканием рельефам. При учете влияния орографии только путем уточнения нижнего граничного условия, осадки в этих районах не моделируются. Показано, что параметризация орографических эффектов методом орографического блокирования, мо без сглаживания рельефа, приводит к нереальному увеличению количества осадков. Предложена методика сглаживания рельефа, при этом наилучшие результаты получены при сглаживании рельефа с высотами больше или равными 3000м. «

12.Анализ полученных результатов моделирования и сопоставление с фактическими данными, которыми мы располагали, показывает, что основные марты погодных последствий влияния Эль-Ниньо смоделированы верно. Так по полученным нами результатам моделирования, на северо-западе Перу и юге Эквадора наблюдаются интенсивные осадки. В Кахамарке (Перу) по результатам моделирования сумма осадков за 15 дней января 1983г составила около 100 мм -по методу Манабе-Стеклера (МС) и 40 мм -по методу функции конденсации (ФК), а фактическая сумма за месяц равна 175 мм. В то же время на плоскогорьях Перу и Боливии смоделированная сумма осадков за 15 суток, на станции Хуляка (Перу), не превышает 30 мм (по МС) и 8 мм (по ФК). Такой режим осадков характерен для летного периода в годы ЭН-ЮК, что дает основание попагать, что резупьтаты моделирования погодных последствий явления ЭН-ЮК согласуются с фактическими данными.

13.Разработанная модель тропической атмосферы, позволяет с приемлемой точностью воспроизводить аномалии осадков и циркуляции в тропиках, наблюдавшиеся в период проявление Эль-Ниньо 1982—1983г. а также установить и изучить механизмы формирования очагов аномалий в полях осадков, температуры и ветра.

14.Проведенные исследования позволяют надеяться, что если разработанная модель и методы ее реализации будут приняты для использования в оперативной практике Национальной службы погоды Перу, то это позволит с заблаговременностью в несколько суток иметь информацию о явлениях, приносящих большой ущерб экономике страны и принимать меры для уменьшения этого ущерба.