Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Математическое моделирование крупномасштабных метеорологических эффектов, обусловленных интенсивным загрязнением атмосферы сильнопоглощающим аэрозолем

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование крупномасштабных метеорологических эффектов, обусловленных интенсивным загрязнением атмосферы сильнопоглощающим аэрозолем"

7

и

Государственный комитет РСФСР по науке и народному образованию

¡А, С

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ

На правах рукописи

СОЛДАТЕНКО Сергей Анатольевич

УДК 551.509.3:551.510.42

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКЩ ОБУСЛОВЛЕННЫХ ИНТЕНСИВНЫМ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ АТМОСФЕРЫ СИЛЬНОПОГЛОЩАНЩИМ

АЭРОЗОЛЕМ

11.00.09 — Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург — 1992

Работа выполнена в Военном инженерно-космическом институте имени А. Ф. Можайского.

Официальные оппоненты:

— доктор физико-математических наук АЛОЯН А. Е.

— доктор физико-математических наук ГИНЗБУРГ А. С.

— доктор физико-математических наук ШАКИНА Н. П.

Ведущая организация —■ Вычислительный центр Академии наук

Защита диссертации состоится «ХО» 1992 г.

в часов на заседании специализированного совета

Д.063.19.02 при Ленинградском гидрометеорологическом институте по адресу: 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский, пр., 98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛГМИ.

Автореферат разослан « » ¿^ 199^, года

Ученый секретарь специализированного совета доктор фи наук, доцент

А. С. ГАВРИЛОВ

Зак. 1 Тир. 100

Подп. к печати 8.01.92 Печ. л. 2

Бесплатно

Уч.-изд. л. 1,75 Ротапринт

Тип. ВИККИ им. А. Ф. Можайского

; - • ; ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

г?..''Актуальность проблемы. Резкое повышение интереса к исследо-1анию различных свойств сильнопоглощающего солнечную радиацию .эрозоля (пили, различных дымов, саяи), произошедшее в послад-:ее десятилетие, обусловлено выяснением того вклада в современна изменения погода и климата, который могут вносить естест-енные и антропогенные загрязнения атмосферы. Исключительная ложность оценок возксшшх воздействий силышх возщщений аэ-озольного состава атмосферы,, обусловленных встестгонньт/и л нтропогештма факторинга, на погоду и клина? еярздожяз?? metí-едтаоств всестороннего ашдагаа егладов различных эездзйежуп-

^fjt V ' ■'' v ^ Т' ^ ~7 *Г К г J / 1У. ''С'С^'ТТ^У ' ''-'j.'^' : ■;

j'Jí тап ■s'iorn иэ?ол*2 хгтатацкезпого г.го"?.хшро2'йкпд,. рнредпнз аналоги и даннно наблюдений, Мощным стптягеи ssy^s-кк кртяк.гэопгтабЕоД задяьйхг.шюй агшчфвро

роблоиа получения оценог: воплэджних готвяствлй ядерной зойнз д климат (М,И„Буд1Лсо, Г.С „Голицын и Ю.А.ИзраэяьЛ'986 г.; =Я.Кондратьев, 1386 г., В.Б.Александров и Г.Л„Стекчиков,1986 . и др.). Однако в этом вопросе имеется значительная доля не-1ред0Лвннссти, связанная о проблемой задания начальных усло-1й для климатических моделей. Корректно подойти к реззенш coro вопроса моано та основе специализированного метода модв-фозашш и прогнозирования динамики и трансформации дымоьых 5лакоз, позволяющего рассчитать пространственную картину рге-зеделения аэрозольных образований (АО) и их оптические харак-фистики на момент времени, когда отдельные дымовые облака даются в крупномасштабные оптически активные объекты.

Изучение начальной стадии эволюции АО важно и для практиче-гих нузд, а именно для решения задач информационного метеоро-тического обеспечения (ИМО) сложных целеустремленных систем ЦО), эффективность функционирования которых в значительной ре зависит от физического состояния атмосферного оптичоско-> канала. Недавний Ближневосточный конфликт еыявил ограничен-е возможности имеющихся методов прогнозирования оптической годы в условиях интенсивного задымления атмосферы.

Поле спектральной прозрачности всей толщи атмосферы, как казано В.Е.Зуевым и др. (1990 г.), существенно зависит от сцессов образования и перемещения синоптических объектов гноптических вихрей, барических гребней и лоабин). Синопти-

ческие вихри (СВ), являясь основным механизмом междуширотноп воздухообмена, существешу^сказываются на планетарном распространении аэрозолей. В то же время, задымление атмосферы, изменяя ее статическую устойчивость, в свою очередь, влияет на развитие бароклинной неустойчиЬости (БН) - основной механизм циклогенеза (В.М.Бубнов и Г.С.Голицын, 1985 г.). Итак, с одной стороны,СВ способствуют транспортировке дымового аэрозол в глобальном масштабе, а с другой стороны, присутствие дымов го аэрозоля приводит к созданию менее благоприятных условий для развития БН и генерации СВ. К этому следует добавить,что задымление атмосферы сопровождается снижением интенсивности влагооборота, который также влияет на развитие БН (В.П.Дымни ков, 1978 г.). В то же время, вследствие тепловой инерции ок ана, задымление атмосферы и последующее охлаждение поверхнос ти суши сопровождается форм:кованием локализованных бароклин ных зон вблизи границы раздела суша-океан, где создаются бла гоприятные условия для генерации меэомасштабных вихревых образований. Сказанное свидетельствует о том, что проблема про гнозирования оптической погоды и моделирования динамики АО неразрывно связана с вопросами моделирования и прогнозирования процессов чихреобразования в атмосфере.

Таким образам, актуальность темы диссертационной работы обуславливается:

1) необходимостью разработки специализированных методов прогнозирования оптической погоды для решения задач информационного метеорологического обеспечения СЦС, эффективность функционирования которых определяется физическим состоянием атмосферного оптического канала;

2) недостаточной изученностью влияния интенсивного задымления атмосферы на ее крупномасштабную динамику и процессы генерации и эволюции СВ;

3) необходимостью повышения достоверности климатических последствий интенсивного задымления атмосферы, вызванного природными и антропогенными причинами;

4) зависимостью процессов эволюции аэрозоля в атмосфере с уровня вихревой активности, важностью СВ в структуре СЦА и I недостаточной изученностью.

Диссертационная работа имеет своей целью создание теореи ческих основ и методов моделирования и прогнозирования дина! ки сильнопоглощающих солнечную радиацию аэрозольных облаков

i атмосфере и ее отклика на инжекцшо больших кбличеств силь-юпоглощагощего аэрозоля, а также развитие гидродинамической "еории зарождения и динамики GB во влажной бароклинной атмо-:фере.

В соответствии с целью залачи исследования сводятся к сле-¡увдим:

1) формулировка концепции разработки специализированных ка-'еиэтических моделей атмосферы, предназначенных для решения |пределенного круга научных и практических задач;

2) разработка методологических оонов построения катематиче-ких моделей задымленной атмосферы;

3) оценивание влияния интенсивного задымления на фор?гирова-ле фундаментальных параметров, определяющих атмосферную вих-евую динамику, и влагооборот;

4) исследование жизненного цикла возмущений, вызывашщх ре-лизацию бароклинной неустойчивости фонового квазизоналыюго отока в естественных уолозиях и при наличии последствий пн-енсивного задыгмения в атмосфере;

5) исследование процессов вихреобразования в локализованных ароклинных зонах;

6) разработка метода моделирования и прогнозирования динамки АО и условий зегдлеобзора при наличии в атмосфере дымовых Злаков большой оптической плотности.

Основные научные результаты и пх новизна состоят в следую-ем:

I. Сформулирована концепция разработки специализированных атекатических моделей атмосферы, ориентированных на решение аданного спектра как практических, так и научных яадач. Суть э состоит в том, что процесс синтеза математических моделей элжен предусматривать два четко выраженных этапа. Первый ran, называемый впешним (системно-агрегативннм) проектировали модели, предполагает:

- изучение целей создания и будущего применения модели;

- исследование фона л окружения проблемы;

- обоснование показателей качества модели и критериев их денивашш;

- организации и проведение экспериментов по сбору информа-пи, необходимой для построения и уточнения модели.

Второй этап, называемый внутренним проектированием (струк-•рно-параметрическим проектированием), предполагает решение

вопроса о том, что должна из себя представлять модель (какие физические процессы в ней должны быть учтены, какую она должна ишть структуру, какие численные методы необходимо использовать для решения уравнений модели и т.д.) с тем, чтобы удовлетворить всем требованиям, которые были к ней предъявлены на этапе внешнего проектирования.

2. Разработаны методологические основы построения математических моделей атмосферы, ориентированных на решение задач:

- моделирования динамики АО и оценивания вызываемых шли эффектов;

- прогнозирования условий глобального землеобзора при наличии в атмосфере аэрозольных иблаков большой оптической плотности.

Разработаны методы параметризации дымового аэрозоля и процессов его поступления в атмосферу. Построены численные схемь не уввшчжтхтв полную вариацию ( ТУЗ - схемы) для решения уравнения переноса примесей в атмосфере. Рассмотрены особенно ста постановки боковых граничных условий при использовании вл жешшх сеток в задачах моделирования динамики АО.

3. На основе зональной кюдоли США подучены количественные оценки влияния интенсивного задымления атмосферы на зональнух структуру ОЦА и формирование фундаментальных параметров, опр« делящих вихревую динамику атмосферы - зонально-осредненные I раматр статической устойчивости и меридиональный температурш градиент.

4. С помощью математической модели волнового канала на бета-плоскости теоретически исследовано развитие БН во влажной атмосфера и происходящий при этом циклогенез. Впервые получв! количественные оценки влияния реализации скрытого тепла конде сации на весь жизненный цикл неустойчивых возмущений. Оценен« влияние последствий интенсивного задымления на развитие БН и генерацию СВ в атмосфере.

5. Выполнено теоретическое исследование процессов зарождения мэзошсатабных вихрей в локализованных бароклинных зонах. Впервые получены количественные оценки влияния баронлинного с; ктора (гоострофической адвекции виртуальной температуры) ее : нерацЕэ в атмосфере завихрзнностн н, кейс следствие, гвкйрагг.-шхрей. Показана суцастъшшая зависимость качества црегл-'-.;-.;.. ваше СВ от пространственного раауопошл зддодй и фааесж: л;,

Т0К03 ТОШГС.

Исследовано нелинейное развитие волновых возмущений в лока-шзованных бароклинннх зонах и происходящий при этом циклогв-:ез.

6. На основе телескопической математической модели атмо-феры исследованы основные закономерности динамики дымовых АО

атмосфере на временных интервалах, имевших продолжительность стествонного синоптического периода.

7. Разработан метод моделирования динамики АО и прогнози-овапия условий землеобзора при наличии в атмосфере АО боль-ой оптической плотности.

Результаты исследований азтора в совокупности лынорятся на 2ШЕЕ1. как теоретическое обобщение и регента крупной научной роблемм - проблеет матештического моделирования крупнсг.эсп-збных метеорологических эффектов, обусловленных загрязнением гмосфары сильнспоглсщаюЕрш солнечную радиацию аэрозолем, инэ-дэй важное значение для оценивания метеорологических, клш.я-яческих и экологических последствий антропогенного загрязне-ш атмосферы, а такке для совершенствования информационного этеорологичоского обеспечения елейных целеустремленных систем, [фективность функционирования которых в значительной степени шисит от физического состояния атмосферного оптического каша.

Апробация результатов к публикации. Результаты диссертаци-шых исследований докладывались и получили одобрение на 3 и Всесоюзных научно-практических конференциях по безопасности >летов (Ленинград, 1982 и 1985 гг.), Всесоюзных научно-техни-1С1СИХ конференциях по совершенствованию геофизического обес-1Ч6КИЯ Вооруженных Сил (Ленинград, 1384 и 1986 гг.), 5 Всосо-:нсм совещании по исследовании динамических процессов в верх-■й атмосфере (Обнинск, 1985 г.), 3 Всесоюзном симпозиуме "Ме-срологичоекпе исследования в Антарктике" (Ленинград,1986 г.), есовзной конференции по активным воздействиям на гпдромотео-логические процессы (Киев, 1987г.), Всесоюзном совещании по облема численного моделирования состава и динамики свободной мосферы (Суздаль, 1988 г.), Всесоюзной конференции "Теорети-акие и экспериментальные исследования оптически активных ко-знон-г атмосферы" (Выборг, 1988 г.), 2 Всесоюзной'конференции совершенствованию метеорологического обеспечения авиации виз Вооруженных Сил (Воронеж, 1989 г.), Всесоюзном совещании . фзр.'.этризацпя физических процессов в гидродинамических моде-

лях атмосферы и вопроси чувствительности моделей" (Москва, 1989 г.), 3 Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии (Суздаль, 1990 г.), Всесоюзном симпозиуме "Геофизические аспекты переноса примесей в верхней атмосфере" (Обнинск,1990 г.), Всесоюзной конференции "Математическое и имитационное моделирование в системах управления и проектирования" (Чернигов, 1990 г.), совещаниях межведомственной рабочей группы по проблеме оценивания фоноцелевой обстановки (Ленинград, 1989г. Москва, 1989 г.), Итоговых сессиях ученых советов и научных семинарах Ленинградского гидрометеорологического института, Военного инженерно-космического института имени А.Ф.Можайско-го, ЦНПО/"Комета", 1Т0 имени А.И.Воейкова, Гидрометцентра, ГСМ имени С.И .Вавилова.

Основные результаты диссертации опубликованы в монографии, двух учебных пособиях, 34 статьях, 16 тезисах докладов и 15 отчетах по НИР. По материалам исследований получены два автор ских свидетельства на изобретение. В 1987 г. научная работа автора "Гидродинамические модели влажной атмосферы и их использование для решения научных и практических задач", выполне! ная в русле диссертационных исследований, Президиумом Академии наук СССР была удостоена Почетного диплома Академии наук СССР.

В диссертацию включены результаты работ, выполненных автором лично и тех исследований, в которых личный вклад диссертанта заключается в участии на всех этапах исследования - от постановки задачи, до получения и анализа результатов, включая написание статей.

Реализованы результаты исследований в войсковых частях 11284, 48254, Военной академии имени А.Ф.Дзеркинского, Военном инженерно-космическом институте имени А.Ф.Можайского, Всесоюзном научно-исследовательском институте электронного машиностроения. Внедрение результатов зафиксировано соответс1 вующими актами.

Стркутурно диссертация состоит из введения, шести раздело: заключения и списка литературы. Объем работы составляет 364 страницы, в том числе 86 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, форлулируются цель и задачи исследования, научнал новизна и практическая значимость работы.

I. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ИНТЕНСИВНЫМ ЗАДЫМЛЕНИЕМ АТМОСФЕРЫ

В последние годы по целок/ ряду причин значительно возрос интерес к изучению воздействия задымления атмосферы сильнопог-лощающим солнечную радиацию аэрозолем на ее термический и циркуляционный режимы. Исхода из различия этих причин по степени практической значимости можно выделить два основных аспекта этого интереса: теоретический, выражающийся в попытках изучения и объяснения механизмов воздействия задымления на динамику атмосферы, и прикладной, отраженный в поисках методов и способов учета таких воздействий при ИМО -функционирования различных СПС. Это деление является достаточно условным, поскольку исследования, развивающиеся в рамках второго направления, активно ^пользуются результаты, полученные на теоретическом уровне, и тоборот, результаты, полученные в качестве "побочных" в прик-тадных исследованиях, могут представлять несомненный теоретический интерес.О,днако такое деление представляется целесообраз-)ым, т.к. цели этих двух направлений существенно различаются, гго обуславливает различие в подходах, методах и средствах ре-1ения и делает возможным и полезным рассмотрение проблем, воз-шкаицих в русле одного направления, отдельно от проблем, ха->актерных для другого направления.

Основным методом как теоретических, так и прикладных иссле-;ований является моделирование, т.е. воспризведение характери-;тик одного объекта (в нашем случае атмосферы) на другом объе-те, специально созданном для этих целей и называемым моделью.

Анализ существующей классификации моделей позволяет заклга-ить, что в геофизической гидродинамике, учитывая сложность редметной области и ее особенности, велика роль формального оделирования с использованием ЭВМ. Из всех видов формального оделирования при рассмотрении проблем теории климата и ОЦА редпочтение отдается математическому моделированию (ММ), а энтральное место занимает аналитико-имитационное моделирование.

Чтобы модель (имитационную систем) можно было использовать

по назначению, она должна удовлетворять определенным требованиям. К обобщенным требованиям относятся: адекватность, простота и оптимальность; эффективность численной реализации; воз можность моделирования с различными масштабами времени; униве реальность; адаптивность; открытость; оперативность; кумулям вность; целенаправленность; специфичность; сочетание формальных и неформальных элементов; доступность; интеллектуальное^ Процесс синтеза математических моделей имеет два четко выраженных этапа концептуального уровня, называемых соответств« нно внешним (системно-агрегативным) и внутренним (структурно-параметрическим) проектированием.

Модели, предназначенные рпя моделирования динамики АО во влажной бароклинной атмосфере, необходимы для решения следующих больших классов задач: Пзадачи, связанные с информационным обеспечением СЦС; 2)задачи, связанные с оценкой влияния инжекции больших количеств сильнопоглощающего аэрозоля на по году и климат (эти задачи примыкают к проблеме локальных и глобальных климатических катастроф , обусловленных естествен ными и антропогенными факторами).

На этапе внешнего проектирования моделей, предназначенных

для решения этих двух классов задач, в работе проведен содер

жательный анализ задач. Рассмотрение задач ИМО СЦС выполнено

на основе теории эффективности целенаправленных процессов

(Г.Б.Петухов,1989). Согласно этой теории, качество любого об

екта, в том числе и СЦС, в полной мере проявляется лишь в пр

цессе использования его по назначению. Поэтов оценивание ка

ства объекта наиболее объективно осуществлять по эффективное

его применения. Эффективность является операционным свойство

целенаправленного процесса функционирования системы (ЦПФС),

операция отличается от всех других процессов наличием цели.

Содержательно цель операции может быть определена по-разнок^

однако во всех случаях она заключается в получении требуемьр

результатов: Г • У е 1

ЬЧ * <®> I <5>-> (I)

где -^.-трехкомпонентный вектор показателей качества; З^1 область доцустимых значений результатов операции. Поскольку на эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ) и парш ры СЦС, на условия ее функционирования и применения возцей< вует ряд априори неизвестных (случайных) факторов, и случа!

ми являются допустимые значения Увектора У, , зависящие

_// <3> <А>

от условий применения СЦС , то

где символ л- является символом случайного события; Л-вектор Э'ГХ и параметров СЦС и характеристик организации ЦПЗС;

вектор характеристик условий функционирования СЦС. Из (2) следует, что пригодность операции к достижению цели есть случайное событие, тзтому цосткяение цели операции является случайным событием: ^ >~ ■)

Значит показателем эффективности операции в условиях рзальчого воодзйетвик случайных фяктороз мояет служить только вероятность события (3), характеризующая возможность его наступления при заданном комплексе условий: „

рли'-ра>А У <*>};. (4)

Вероятность I^ -это вероятность достижения цели операции (или вероятность выполнения задачи СЦС) и является показателем эффективности ЦПФС. Заметим, что характеристики являются объективными факторами и к их числу, в частности, относятся метеорологические условия: е .

В явном виде выделить условия функционирования СЦС, которые определяются состоянием атмосферы, можно путем предварительного решения следующих задач:

1)определение перечня параметров атмосферы, влияющих на ЭТХ СЦС и ее функционирование;

2)оценивание степени влияния этих параметров на функционирование СЦС;

3)формулировка требований к метеоинформации, необходимой при ИМО СЦС;

4)анализ существующих методов получения информации об атмосфере на предмет соответствия характеристик, получаемых с их помощью сведений об атмосфере, сформулированным требованиям;

5)в случае неудовлетворения требованиям необходимо поставить задачи, решение которых позволит достичь желаемого результата и наметить пути их решения.

Для решения первых двух вопросов необходимо построить мате-татические модели элементов операционного комплекса (эти моце-|и, как правило, агрегированные), а та'.гг.е определить операционной функционал - соотношение, опксывакцоо зависимость целевого

эффекта от расходуемых операционных ресурсов и времени. После того, как на основе имитационного моделирования с помощью модели операционного комплекса установлен перечень влияющих параметров атмосферы и оценена степень их влияния на функционирование СЦС, формулируются требования к метеорологической информации по составу, количеству, качеству, заблаговременности и оперативности получения, виду представления, периодичности обновления. Исходя из этих требований проводится анализ методов ее получения.

На этапе внешнего проектирования математических моделей, ориентированных на решение °ацач ИМО СЦС, цутем имитационногс моделирования (В.Е.Зуев и др.,1990; В.Т.Бобронников,1981; В.С.Комаров и В.А.Ременсон,1988 и др.) установлено, что на всех этапах проектирования и планирования работы оптико-электронных систем, работающих в видимом участке спектра, вектор влияющих параметров должен включать: характеристики облачности (количество общей облачности и ее расслоенность по ярусам геометрические размеры облачных образований, высоты верхней ] нижней границ, сведения о вертикальной мощности, фазовом составе и микроструктуре облаков); характеристики туманов и дымок; вертикальный профиль атмосферного аэрозоля; состояние П1 дстилащей поверхности.

При использовании аппаратуры, работающей в ИК-диапазоне, дополнение к перечисленным вше параметрам включаются: верти кальные профили давления и температуры; вертикальные профили

н2о, С02 и о3.

При использовании лазерной аппаратуры этот перечень расши ряется за счет включения вертикальных профилей СО, СН^Л^О.

Наибольшее влияние на условия глобального землеобзора, а значит и эффективность функционирования СЦС, оснащенных опти ко-электронными системами, оказывает облачность и плотные АО Исходя из этого в работе сфорцулированы требования к математ ческим моделям, ориентированным на решение задач ИМО СЦС, ус новленными на воздушных и космических носителях. Перечень тр бований включает в себя требования: по объе^ и составу выхо ной информации;по оперативности ее получения; по области опр деления выходных параметров; по форме представления ввдаваем информации; по входной информации; по степени общности модел по точности получаемых на выходе сведений.

При рассмотрении задач, связанных с оценкой влияния инже»

ции больших количеств дымового аэрозоля на погоду и климат, для определения параметров и характеристик дымового аэрозоля, важных с точки зрения его влияния на погодно-климатический режим, использованы выполненные ранее исследования К.Я.Кондратьева (1986), А.С.Монина (1982), М.И.Будыко, Г.С.Голицына и Ю.А. Израэля (1986), Г.С.Голицына и А.С.Гинзбурга (1983), В.Е.Зуева и др.(1990), В.М.Орлова и др.(1985), О.И.Смоктия (1986) и пр. На основе этих исследований сфорлсулированы требования к математической модели.

На этапе внутреннего проектирования формируется внутренний облик модели, удовлетворяющей целям и задачам, сформулированным на этапе внешнего проектирования. Внутреннее проектирование предполагает решение ряда задач физического, математического и вычислительного планов. Проблеме внутреннего проектирования моделей, ориентированных на решение задач, связанных с прогнозированием и моделированием АО в атмосфере, посвящен второй раздел диссертации.

Анализ состояния рассматриваемой в диссертации проблемы показывает, что наиболее важными вопросами, требующими специального рассмотрения, являются вопросы, связанные с: параметризацией дыма как поглощающей солнечную радиацию субстанции; параметризацией источников поступления дымового аэрозоля в атмосферу; параметризацией процессов влажного вымывания дыма из атмосферы; подъемом АО, инициируемом поглощением солнечной радиации; построением численных схем решения уравнения переноса положительных (функций, имеющих большие пространственные градиенты и разрывы производной; постановкой боковых краевых условий для вложенных сеток в телескопических моделях.

Особое внимание должно быть обращено на описание процессов атмосферного влагооборота, образования облачности и осадков. Тоскольку определяющую роль в формировании облаков (как слоистых, так и конвективных) играют крупномасштабные движения ат-гасферы, в первую очередь такие важнейшие объекты, как СВ, про->лема эволюции АО сводится в значительной мере к выяснению ус-ювий, способствующих генерации СВ. Учитывая то, что задымле-1ие атмосферы сопровождается изменением статической устойчивос-и атмосферы, меридионального градиента температуры, интенсив-ости влагооборота, важно ответить на два вопроса: 1)насколько начительно влияние атмосферной влаги на развитие БН и проис-одящий при этом циклогенез; 2)как велика роль бароклинного

фактора (по терминологии Л.Т.Матвеева) в процессах зарождения синоптических вихрей в атмосфере.

2.МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ QCHCBN ПОСТРОЕНИЯ ШТЁМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЗАДУШЕННОЙ АТМОСФЕРЫ

Е этом разделе, исходя из физических представлений о влия-шш дала на формирование термического и динамического решай атмосфарл, определены основныо характеристики дымового аэрозо ля, которые необходимо 3£?дать при решении задач г.ате?.*лтическо го моделирования дикатлк! АО в атмосфере. К числу этих характеристик относятся разгарц дымовых частиц ( химический состав (определяемый величиной комплексного показателя прелом ЛОНШ1 - ' 82 ), коэффшеюнты зкетинции, рассеяния И ПОГ-

лодсни, Ендккатршса рас с с." "чя, «лъбодо однократного рассекших (воролиюсть вшзшздод ианта Ды:л состоит из частил раздшад1;х разнэров, а функция распределения частиц дыш хорошо аппроксимируется логяорклышм ¡законом с заданными ъюдаль-нак радиус с?г и днспорсией Ы

Степень влияния дыш lía погоду и климат зависит imic от оптических и ка-срофизических свойств дымовых частщ, так и от количества дыма, поступившего в атмосферу, скорости его постз пления, распределения в пространство источников дыма и времени S23H2 дымовых частиц в атмосфере.

В рабсто построены схе:.ш параметризации источников поатушк нпя дгша в атмосферу. Источниками являются пожара различных типов - линейные, площадные,• массовые, огненные штормы. На ск ново схем представляется возмогши определить параметры дымовых облаков для последующего использования в моделях атмосфе]

Параметризация радиационных притоков тепла выполнена на ба: радиационного алгоритма, разработанного в ЖЖ (Э.Д.Подольск; и Л.О.Неелова) и аналитических формул (А.С.Гинзбург и И.Н.Со-колик) для расчета пропускания и отражения солнечного света однородным слоем поглощающего аэрозоля.

Детально рассмотрены физические механизмы, управляющие эво лоцией дымового аэрозоля, и методы их учета в моделях атмосф ры. Эволюция АО в атмосфере происходит под влиянием здвектив ного переноса и крупномасштабных вертикальных движений, турб; лептЕой диффузии, конвективных движений, вымывания облака® : осадкаш, содшлЕтадш. В реальных геофизических условиях на «шшптпчесЕЕх пространственных и врвшшах гасштабах адзектз:

,й перенос доминирует над турбулентной диффузной, однако ой )енебрегать нельзя, т.к. атмосферные течения локально могут ять области с аног.нльно слабым растяжением материальных лий, где определяющими становятся диффузионные механизмы. Нате возмущений типа СВ в зональной потоке может принципиаль-) изменять характер переноса примеси не только на масштабах зрядка радиуса деформации Россби, но и глобально (осесиммег-гаация поля примеси в окрестности СВ, формирование специфиче-сих спиральных структур, блокировка переноса).

Для описания процессов переноса АО в атмосфере используется яедующее уравнение _ —

^^ + /с = ^ (5)

це "с = {с. (С-О/)} -вектор удельных концентраций пригаси; Ы -чис-о компонентов; Сс -одна из компонент; /* и ^ -коэффициенты тур^ улентности по горизонтали и вертикали;у -вектор скорости; /-ектор-функция, учитывающая производство и сток примесей за чет трансформационных процессов; -вектор-функция источника, вдексом 5 отмечены операторы дивергенции и градиента в гори-онтальных направлениях.

Учитывая то, что АО на начальном этапе эволюции попадают в :одсеточный масштаб, необходимо либо использовать сочетание йлерового и лагранжевого подходов к описанию процессов перено-;а, либо привлекать технологию вложенных сеток. Использование (ложбнных сеток в задачах переноса дымовых АО имеет свои особе-шости по сравнению с задачей прогноза погоды. Наличие дымово-'0 АО в ограниченной области сопровождается активными возмуще-шяш. энергетики, генерацией и дисперсией гравитационных волн. Госкольку вложенные сетки используются для моделирования нача-хьной стадии эволюции АО, возмущения, генерируемые на мелкой 5втке, должны как можно меньше сказываться на численном реше-ши, полученном с помощью фоновой модели. С целью оценки каче-5тва различных вариантов постановки боковых граничных условий 5ыли проведены тестовые расчеты для системы уравнений мелкой воды. Получено, что при наличии сильных возмущений во вложенной области наиболее хорошие результаты имеют место, если использовать метод демпфирования на основе взвешенных тенденций с применением вязкого поглощения в приграничной зоне.

Задачи переноса примесей (в том числе и влажности) в атмосфере относятся к классу задач, связанных с решением уравнения гиперболического типа, решение которого в определенный момент

времени становится либо разрывным, либо гладким, но имеющим бсяызио пространственные градиенты. В этом случае, если не приникать специальных мэр, в областях разрывов возникает xaj ктэрнне осцилляции и решение приниглет отрицательные значена Саюм простым примером задачи, относящейся к вше упомянуто";, классу, относится следующая задача Коша: др др

где р (x,i )-полоннтелышл функция, относящаяся к классу ку

сочно-непрерывных ограниченных функций. В класса линейных

схз.м невозмозно для уравнения (6) построить монотонную схецу

с порядком выше первого. Поэтому peyerais ищется в классе пая

нейных exea. Для рааекия урагчешм(б) каш используются схем

не увеличивающие полную вар^лфш (7П>_схемы, А.Хартен). Пр]

этом применяется процедура распада произвольного разрыва с kj

сочно-параболическим распределенном jp по ячейки расчетной

сетка. Разностная схема имеет вид:

«И П tí' «Г, ipfef) чЛ-Л п ¿i п п,

Ч WV^WTrAt**»*»*»* ■ т

Тестовые расчеты с использованием различных схем показали проЕгущэстаа схемы с кусочно-параболической аппроксимацией.

Вымывание и влажное оаазденпэ дымового аэрозоли облаками и осадками параметризуется путем введения коэффициента втлывани зависящего от балла облачности и высоты, на которой находятся дымовые частицы. Расчет скорости седигзнтации частиц, имеющих дпакатр более 150 шал, выполняется по формуле Ньютона. Для ча стец, диаметр которых попадает в интервал от 3 до 150 мкм, ис пользуется формула Стокса, а для более мелких частиц -фор?,уда Стокса с поправкой Куннинтеш.

В работе построена татематическая модель подъема АО, иници. ируемого поглощением солнечной радиации.В основе модели лежит стационарная гидростатическая система уравнений гидротермодиш мики в приближении Буссинеска. В результате аналитического решения этой системы получены оценки значений вертикальной скорости подъема АО вследствие поглощения дымом солнечной радиации. Важный аспект построения моделей задымленной атмосферы связан с параметризацией процессов обл. кообразования. В настоящее время известно несколько подходов к численному моделирова кшо и прогнозировании облачности.Одним из возможных методов,

позволяющих без привлечения параметризаций или описания мнкро-физических процессов корректно воспроизвести динашку облачности и рассчитать водность, является метод инвариантов (Л.Т.Матвеев). В основе метода лежит идея полного увлечения облачных элементов турбулентными ноляш, что дает возможность ввести два инварианта относительно фазовых переходов атмосферной влаги - удельное влаг ос ода ргяние и эквивалентно-потенциальную температуру, а такие построить для них дифференциальные уравнения, которые сохраняют один и тот яо вид как до начала, так и в процесое образования облаков. При построении моделей задымленной атмосферы описание процессов тепло- и влагопереноса на-т выполняется на основе матода инвариантов.

3.МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОШИРСВАНЙЯ ФГгШАШГГАЛЬНЫХ

ПАРАМЕТРОВ, ОПРВДЖШЩХ ВИХРЕВУЮ ШШДЖКГ АТМОСФЕРЫ

В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОГО ЗАДЫМЛЕНИЯ

Одной из основных величин, характеризующих интенсивность вихревой динамики атмосферы, служит уровень вихревой кинетической энергии К£ , который пропорцианален величине (дТ/д$/б<1г (Р7-широта, Г и б -зонально-осредненные температура и параметр статической устойчивости). Поэтому при анализе суммарного влияния интенсивного задан,кения на крупног.ясштабную вихревую динамику мояно_ограничиться изучением влияния дала на формирование величин <3 и (дТ/д? ). Для этой цели используется гидродинамическая зональная модель СЦА, позволяющая при заданных внешних параметрах рассчитать для каждого сезона широтно-вы-сотныо профили температуры, вертикальной скорости, влажности, балла облачности, зональной и меридиональной составляющих вектора горизонтальной скорости.

Основу модели составляет систем полных уравнений гидротермодинамики, осредненных вдоль круга широты. В модели параметризованы основные физические процессы, ответственные за формирование энергетических источников и стоков в атмосфере. Численная реализация модели выполнена с помощью метода расщепления. Тестовые численные эксперименты показали, что модель в целом удовлетворительно воспроизводит состояние атмосферы для января и июля.

Моделирование влияния вариаций дымового аэрозоля на СЦА выполняется следующим-образом. После выхода модели на квазистационарный режим (£ = £,) в некоторой части расчетной области

задается облако дыма с определенными микро- и макрофизически-ми характеристиками. Далее производится интегрирование уравнений модели и путем сравнения полученных таким образом результатов с результатами при Ь-Ьй оценивается влияние дыма на термодинамический резким атмосферы. Дымовое облако задается в северном полушарии в широтной зоне от 30 до 70°с.ш. на высотах от б =0,8 до б =0,2. Интегральная масса аэрозоля изменялась в пределах от 10 до 100 Мт. При коэффициенте экстинции, равном в видимом участке спектра 5,5 ь£/г, оптическая толщина "Те [о,5;4,9]. Полидасперсность аэрозоля учитывается путем разбиения распределения частиц дыма по размерам на отдельные фракции и уравнение переноса (5) интегрируется для каждой франции.

Численные эксперименты показывают, что уменьшение ? дымового АО в широтной зоне от 30 до 45°с.ш. можно аппроксимировать выражением )='С0ехр(-о,в6О, где 1 -в сутках.Присутствие АО возмущает термический, а через него и динамический, режим атмосферы. При =100 Мт в течение первых 12 суток среднезо-нальная температура подстилающей поверхности под АО падает со скоростью ~3°С/сут и достигает минимального значения на 13 сутки ( Тт1п%-12°С). В погранслое такое интенсивное понижение сопровождается конденсацией водяных паров. В погранслое и в средней тропосфере формируются мощные инверсии (4 Т~ Ю°С). Через две недели происходит разрушение ячейки Феррела. В верхней части АО появляются меридиональные движения, способствующие распространению дыма к экватору и, несколько меньше, к полюсу. Задымление снижает интенсивность влагооборота, т.к. уменьшается относительная влажность, а значит и вероятность конденсации водяного пара.

Зависимость понижения температуры воздуха под АО от М1 существенно нелинейна. Формирующиеся два слоя инверсии должны сказаться на развитии Ш (этот вопрос специально рассмотрен в 4 раздело). В летнее время эффект подавления БН выражен значи тельно сильнее. В то же время летом меридиональный градиент температуры в нижней тропосфере трансформируется таким образе что в широтных поясах 15-20 и 70-75°с.ш. формируются зоны повышенной бароклинности, в которых (дТУдУ) достигает значеши 2,5-3°С на один градус шэтоты. Это означает, что в отмеченных районах создаются благоприятные условия для циклогенеза проме жуточного масштаба. Зимой этот эффект не наблюдается.

4.МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ВИХРЕВОГО РЕЖИМА ЗАДЫМЛЕННОЙАтаОСФЕРЫ

В основу исследовкния положена модель волнового канала на бета-плоскости средних широт, в рамках которой последствия интенсивного задымления (изменения <3 ,дТ/д9> , интенсивности влагооборота) учитываются параметрически. Модель построена на базе полных уравнений гидротермодинамики и в ней параметризованы основные физические процессы подсеточного масштаба. С целью оценки реалистичности модели были проведены численные эксперименты с линеаризованной версией модели канала и получены скорости нарастания и пространственное распределение энергии неустойчивых мод. Сравнение результатов с результатами, полученными с помощью моделей СЦА (Р.Голл, В.П.Дымников и А.А.Фоменко), дают основание заключить, что нелинейная модель канала может быть использована для численного моделирования развития БН и исследования влияния задымления атмосферы на процессы вихреобразования.

Нелинейная модель канала с учетом результатов, полученных в 3 разделе, дает возможность изучать влияние задымления на процессы зарождения и динамики СВ параметрически, т.е. без введения в рассмотрение собственно дымового облика. Основными параметрами, влияющими на интенсивность вихревой динамики, являются параметр статической устойчивости, меридиональный температурный градиент и влгооборот. 0существляя численные эксперименты при различных значениях названных параметров и анализируя результаты, можно получить оценку степени влияния задымления атмосферы на динамику СВ.

Оценка влияния атмосферного влагооборота на интенсивность вихревой динамики осуществлялась путем сопоставления результатов численных экспериментов, полученных по данным сухой и влажной версий модели канала. Представление о распределении во времени вихревой кинетической энергии неустойчивых возмущений различной длины дает табл.1. Из этой таблицы следует, что во влажной модели неустойчивые волны, имеющие при t =0 длину ЗСЮО км и более, достигают максимального развития в 1,2-1,3 раза быстрее, чем в сухой модели. Однако при этом амплитуда их несколько уменьшается. Волны, имеющие при í =0 длину 2000 кы и менее, в сухой нелинейной модели практически не растут, а во влажной модели эти волны растут достаточно быстро. Во влажной модели увеличивается продолжительность стадии таксика-

Таблица I

Вихревая кинетическая энергия (1СГ^ ДжЛ^) волновых возвещений различной длины

Длина волны, км Вреш, сут

I 2 3 4 5 6 7

Сухая модель

3000 0,00 0,00 0,24 0,74 1,64 3.04 5,18

3500 0,00 0,01 0,26 1,06 2,55 5,41 7 72

4000 0,02 0,17 0,58 1,44 3,02 5,66 10,22

4500 0,01 0,10 0,45 1,23 2,48 4,49 7,17

Влажная модель '

2000 0,00 0,00 0,03 0,19 0,41' 0,69 0,97

3000 0,00 0,03 0,50 1,34 2,68 5,07 4,74

3500 0,00 0,18 0,78 1,97 4,50 6,49 6,37

4000 0,11 0,72 1,79 4,18 8,12 9,48 8,78

4500 0,02 0,47 1,31 2,66 4,50 6,78 8,66

Длина Всо;,'л, стт

волны, га. 8 9 10 1 II 12 13 14

3000 3500 4000 4500

2000 3000 3500 4000 4500

4,61 7,21 11,14 9,38

1,00 1,73 5,44 7,91 9,12

2,44 3,66 7,18 10,54

0,83 1,64 3,87 6,55 8,99

Сухая модель 1,03 0,62

1,45 3.34 10,32

0,82 2,26 8,89

Влажная модель

0,64 1,38 2,33 4,96 8,36

0,50 1,13 2,04 3,54 7,53

0,49 0,59 1,72 6,88

ь

0,39 0,94 1,12 2,66 6,52

0,46 0,48 1,54 4,83

0,14 0,76 0,79 2,17 5,37

0,45 0,46 1,47 3,47

0,10 0,64 0,61 1,83 4,21

мального развития (время, в течение которого уровень К£ оос тавляет 95$ от наибольшего значения). Рассмотрим жизненный цикл возмущения, имеющего длину 4000 км. В процессе нелинейн го развития ЕН в первоначально гладких полях температуры, вл жности и ветра развиваются зоны увеличения градиентов метеор' логических величин - имеет место фронтогенез. Этот процесс с< провождается восходящими движениями в теплой воздушной массе и нисходящими - в холодной. На третьи сутки у земли формирую ся замкнутые центры низкого и высокого давления, а на высота: -барические гребни и ложбины. В сухой модели к исходу третью суток замкнутых центров высокого и низкого давления не образу ется. Из анализа проведенных численных экспериментов следует, что нелинейное развитие БН, качество воспроизведения меридионального воздухообмена и прогноз циклогенеза в значительной

степени зависят от того» учитывается в модели или нет процесс:! конденсации водяного пара. Реальный прогноз циклогенеза нззоз-кслон без аккуратного учета фазовых переходов волы и притоков тепла. Фазовые притоки тепла яачестпзнным образом изгоняют спектр неустойчивых волн: в сухой модели волны, икзюте длину ;'?ноо 2000 км, практически ко растут, а то те зрост во влажной модели эти волны достаточно интенсивно развивается. Ваянн.тго-щез длину более 3000 хал, во влажной модели быстрее достигают стадии максимального развития, однако их энергия несколько уменымется по сравнению с аналогичными характеристиками, полученными в сухой модели. Во влажной модели на вторне-тротьи сутки (в зависимости от относительной злаялостп теплого воздуха) форгаруется облачность, локализация которой согласуется с локализацией восходящих вертикальных движений. Перенос облачности з области барических гребней сопровождается перестройкой твршческой стратификация и образованием инверсии осодания. Задымление атмосферы, угленьпшя относительную влажность воздуха, сопровождается сдвигом спектра неустойчивости в сторону '.меньших волновых чисел.

Влияние статической устойчивости на вихреобразованно оценивалось путем задания вертикального термического профиля, полученного с помощью зональной модели. В летнее вроют, как показывают результаты численных экспериментов, происходит полное подавление механизма баронлинной неустойчивости. В зимнее вроет волны, тлеющие длину более 2500 юл не развиваются. Наиболее интенсивно развивается волна с длиной 1200 км, проходя полный жизненный цикл с образованием СВ. Развиваются также волны с длиной 1500 и 2000 км. Волны, длина которых равна 1000 км и мзнее, практически не развиваются. При уменьшении интегральной кассы аэрозоля, начиная со значения =30 Мт, спектр неустойчивости расширяется и в пределе стремится к спектру неустойчивости, построенного для незадымяенной атмосферы. Отметим существенное различие линейной и нелинейной моделей в вопросе изменения спектра неустойчивости в зависимости от термической зтратификации. В линейной модели БН не развивается при^<5,9°0 ^ки. В нелинейной модели короткие волны, с длинами от 1000 до 2000 км могут развиваться и в таких условиях.

Изменение (увеличение) меридионального температурного гра-щента приводит к тому, что процессы реализации доступной потенциальной энергии происходят более активно.

5.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕСС© ВИХРЕ0БРА30ВАНИЯ В ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ЕАРОКЛИННЫХ ЗОНАХ

Задымление атмосферы сопровождается формированием зон повышенной барокдинности в определенных широтных поясах и вдоль береговой черты континентов. В связи с этим специального рассмотрения требует вопрос о формировании вихревой динамики в этих районах.

В этом разделе построена модель эволюции баротропной моды (средних по вертикали течений) бароклинных вихревых образований. Такой подход, используемый часто в океанологии, упрощает математическую сторону задачи (в этом олучае система уравнений гидротермодинашки выровдается в двумерную систему уравнений, описывающую динамику бароклинной пленки в поле силы Кориолиса. но в то ае время является физически достаточно обоснованным.

Уравнения динамики двумерной бароклинной атмосферы выводятся из гидростатической системы уравнений гидротермодинамикн путем специального осреднения по высоте. На основе линеаризованной версии двумерной системы проведен анализ волновых решений. Показано, что полученная система описывает три класса волн: акустические, распространяющиеся как на запад, так и на восток, волны Россби, которые двигаются в западном направлении и бароклинные моды (волны переноса тепла), перемещающиеся на восток.

Система уравнений динамики двумерной бароклинной атмосферы решается численно в ограниченной области, которая считается открытой областью. Для постановки боковых краевых условий используется метод И.Орланского. В первой серии численных экспериментов изучалась эволюция уединенного циклонического вихря, который задавался следующим образом. В начальный момент времени в области решения задается импульс в поле функции тока (выброс локализован в центре начального вихря!. После этого поле функции тока подвергается неоднократно^ действию косинус фильтра (Д.Севдов). В результате получаются концентрические ок ружности в поле функции тока вокруг избранного центра. Были со поставлены результаты, полученные с учетом горизонтальной баро клинности и без ее учета. В баротропной модели вихрь эволюционирует под влиянием бета-эффекта и нелинейности (увеличивается в размерах, диссипирует, смещаясь на запад). В бароклинной модели имеет место усиление интенсивности вихря, причем это уси-

лотш том существенное, чем больше разность теняоратур во фронтальной (бэроклишой) зоне и чем эта зона угзе. В дополнение к этоцу вихрь действует как !ло!?шй излучатель, генерирующий восточнее себя вихри чередующегося знака. Во второй серии экспериментов была изучена эволюция уединенного аптЕциклоилчсско-го вихря. Результаты ташэ показали значительную роль барокли-иного фактора в процессах трансформация пзхря. В следувдой серии численных экспериментов изучена трансформация зонального потока вследствие бароклинигх эффектов. Рассматривалось втор~з-нио клина холодного воздуха с мзторзка га океан. Чорез 2 суток а потоке фортаруется положительная зазяхронксоть и зональный потек трансформируется в лолбкну, есь которой ориентирована вдоль иэрздиана. В дальнейшем в зевЕснкостп от разности томго-ратур з потоке ксяот сформироваться замкнутый цихяснэтзоклЗ вихрь. Вално подчеркнуть, что бароклишшо эффекты чрезкпшйпе чувствительна тс проотрэнстгвнному разрокепш) чеслонной модели.

11ате?.ят:гчесгля модель циклогенеза, происходящего пря вторжениях холодного воздуха, построена па базе по.™шх уравнений гидротермодинагякл. В начальный ксилит времзпп задается возмущение в поло ко:,яонентн геострофического вотра, направленной по норулли к бароклинной зоне в сторону теплого воздуха. Система уравнений интегрируется численно с заданными краевшги и начальными условиями. При разности текззратур кенду коптишн-том и океаном, равной 10°С, через 48 часов у подстилающей поверхности формируется циклон. Глубина циклона усиливается при увеличении разности температур. Если эта разность составляет 6°0 и менее, то циклон в виде замкнутых изобар на образуется. Ка углубление циклона существенное влияние оказывает реализация скрытого тепла конденсации, выделяющегося в результате подъема влажного морского воздуха вдоль подтекающего под него холодного воздуха. Уменьшение параметра статической устойчивости (увеличение температурного градиента) в холодном и теплом воздухе сопровождается интенсификацией циклогенетических процессов. Развитию циклонов промежуточного масштаба благоприятствуют пониженная статическая устойчивость теплого воздуха над океаном в нижней тропосфера (7°с) и сравнительно большая уст.зЁтюсетй воздуха в средней и верхней тропосфере б^-С.'-О'бЯбЬ Беглая роль з процессах циклогенеза принадеззгат Д0шгз5зпп;. Г-*..- "--ста кенввктишмх процессов давление в цонтро

Выполнено исследование нелинейного развития волновых возмущений в локализованных бароклинных зонах- Для исследования используется математическая модель атмосферы, уравнения которой записываются в декартовой системе координат в приближении бета-плоскости и включающие в себя уравнения вихря и дивергенции скорости, неразрывности, притока тепла, переноса влажности,

статики и состояния, тенденции приземного давления.

Решение ищется в ограниченной области при условии периодичности прогнозируемых величин вдоль продольной оси. Задача решается как задача Коши: в начальный момент в области решения аналитически генерируются возмущения в поле составляющей вектора скорости по поперечной оси. Это дает возможность смоделировать адвекцию к северу теплого воздуха и перенос к югу холодного воздуха, т.е. смоделировать волны в локализованных бароклинных зонах (в частности, на атмосферных фронтах).

Согласно выполненным численным расчетам, локализованные ба-роклинные зоны в высшей степени неустойчивы. Наиболее быстро растущие возмущения, которые могут быть связаны с возникновением вторичной неустойчивости в длинной волне, имеют длину 500 - 1000 км. Энергетика этих возмущений указывает на то, что они развиваются как новая мода бароклинной неустойчивости синоптического масштаба. Численное моделирование нелинейного развития неустойчивых возмущений показывает, что важнейшая роль в генерации вихрей принадлежит атмосферному влагообороту. Волны, имеющие длину 500 - 900 км, в сухой модели практически не развиваются, а волны, длины которых сосредоточены в интервале от 1000 до 1500 км, в сухой модели развиваются слабо и имеют при этом уровень вихревой кинетической энергии в 3 - 5 раз меньший, чем во влажной модели.

Моделируемые облачные поля, возникающие уже через 10 часов, хорошо согласуются с полем вертикальных движений. Максимальные значения водности облаков, равные (0,6 - 0,8) г/м^, сосредоточены на уровнях 500-1500 м.

Увеличение шага сетки (даже в два раза) приводит к значительному искажению картины, полученной с меньшим шагом (имеет место значительное размывание бароклинной зоны, снижения уровня вихревой кинетической энергии и др.), что является следствием, во-первых, вычислительной дисперсии и, во-вторых, занижения вклада бароклинного фактора в изменение завихренности потока.

6.МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ АЭРОЗОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЯ И ОБУСЛОВЛЕННЫХ ИМИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ

Результаты теоретических исследований, полученные в предыдущих разделах, показывают, что интенсивное задымление атмосферы сопровождается различными метеорологическими эффектами. Однако эти результаты получены в рамках в определенной степени стилизованных моделей. С тем, чтобы в явном виде вычленить влияние дымовых АО на термодинамический режим атмосферы необходимо осуществить серию численных экспериментов на основе прогностической математической модели, имеющей известную степень адекватности реальной действительности.

Привлечение прогностической модели имеет еще одну очень важную практическую сторону. На основе модели возможно создание метода прогнозирования условий землеобзора с воздушных и космических носителей средств наблюдения.

Основной оптической характеристикой атмосферы, имеющей самостоятельное значение, а также определяющей решение задач землеобзора, является прозрачность (оптическая толщина) атмосферы. Наиболее сильное оптическое помутнение атмосферы, как известно, связано с водяным паром и продуктами его конденсации (облаками, туманами, осадками), а также с наличием в атмосфере аэрозольной компоненты, в частности дымов. В соответствии с этим, решение проблемы прогнозирования оптических свойств атмосферы связано с решением задачи прогноза эволюции дымового аэрозоля, полей влажности и облачности.

Математическая модель атмосферы, а также созданный на ее основе метод прогнозирования базируется на методологии, изложенной в первой и втором разделах. В модели используются полные уравнения гидротермодинамики, записанные в изобарической системе координат в квазистатическом приближении применительно к плоскости карты в стереографической проекции. Система основных уравнений включает в себя уравнения движения, неразрывности, статики, притока тепла и переноса влажности.

В модели параметризованы основные физические процессы подсе-точного масштаба, ответственные за формирование энергетических источников и стоков в атмосфере: неконвективная облачность и крупномасштабная конденсация, осадки, радиационные притоки тепла, взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью, конвекция и конвективные осадки, горизонтальный и верти-

кальный турбулентный обмен.

Модель является телескопической, т.е. при ее численной реализации используются вложенные сетки. Внешняя сетка представляет собой квадрат, вписанный в экваториальный широтный круг на карте стереографической проекции. Шаг этой сетки составляет 300 км на широте 60°. Внутрь этой сетки'помещается од-га или несколько сеток (их количество зависит от целей моделирования и вычислительных возмолшостей имеющейся ЭВМ), каждая из которых имеет вид прямоугольника и охватывает территории региона (6,5x7,5)»10^ км^ с шагом 150 к:-: на широте 60°. Внутрь каждой из региональных сеток помещается сеточная область е кап» 50 км и охватывающая территорию 1500x1500 т.?, Таким обрсаои, структура модели является достаточно сложной с точки зрения построения технологии реализации на ЭВМ. Количество уровней у Есех моделей равно одиннадцати (1000, 950, 900, 800, 850s 700, 600, 500, 400, 300, 200 гПа). На этих уровнях,назовем их основными, определяются горизонтальные составляющие вектора скорос ти, вертикальная скорость, геопотенциал, а на промежуточных уровнях, отнесенных к серединам соответствующих слоев, предвы-числяются термогигрометрические характеристики воздуха и водность облачности.

На боковых границах внешней сетки принимаются условия, обеспечивающие замкнутость в физическом отношении системы и единственность решения. На боковых границах региональных сеток ставятся нестационарные условия на основе метода взвешенных тенденций с вязким поглощением.

Численный метод решения базируется на методе расщепления, в соответствии с которым задача распадается на задачу адаптации и задачу адвекции.

Для оценки адекватности модели использовались данные ПГЭП за январь и июль 1979 г. Качество прогнозирования метеовеличин оценивалось согласно методическим указаниям по проведению оперативных испытаний методов гидрометеорологических прогнозов.

В табл.2 представлены сведения об оправдываемости прогнозов поля геопотенциала изобарических поверхностей 1000 и 500 гПа. Данные этой таблицы осреднены по 24 случаям по территории, в которую не вошли по семь узлов сеточной области, прилегающих к каждой из четырех боковых границ. Анализ этой таблицу дает возможность заключить, что качество прогнозирован',-,;- ret п-.-.тен-

Таблица 2

Среднеквадратические и средние относительные ошибки прогнозов геопотенциала поверхностей 1000 гПа (числитель) и 500 гПа (знаменатель)

Оценки Сутки

прогнозов I 2 3 4 5 6

Среднеквадратические ошибки (гПа) 4.2 4,1 5.7 5,2 7.5 6,5 9.4 8.5 II.7 11,0 13,9 13,2

Относительные ошибки 0.65 0,62 0.67 0,64 0.72 0,69 0,76 0,76 0,84 0,81 0,94 0,88

циала находится на вполне удовлетворительном уровне. Телеско-пизация позволяет несколько улучшить показатели оправдываемос-ти поля геопотенциала (средняя относительная ошибка суточного прогноза, например, уменьшается в среднем на 0,05).

Основной вывод, который можно сделать по результатам численных экспериментов, состоит в том, что модель вполне возможно использовать в тестовых численных экспериментах по моделированию метеорологических эффектов, обусловленных задымлением атмосферы, а также для оценки условий землеобзора при наличии в атмосфере АО большой оптической плотности.

Применительно к проблеме прогнозирования прозрачности атмосферы в условиях ее интенсивного задымления метод информационного метеорологического обеспечения функционирования сложных целеустремленных систем предусматривает решение следующих крупных задач:

- сбор и подготовка исходных данных, необходимых для целенаправленного функционирования комплекса специальных математических моделей, включающего математические модели источников загрязнения, динамики аэрозольных образований и динамики атмосферы;

- численное прогнозирование термодинамического состояния атмосферы и динамики АО;

- представление прогностической информации в удобном для потребителя виде;

- передача информации потребителям, ее использование по назначению и архивация.

В качестве основного показателя пространственно-временной динамики оптического состояния атмосферы над северным полушарием используется коэффициент закрытия, определяемый по форму-

где -я-д, - балл аэрозольных облаков (в долях единицы), я- -балл естественной облачности (в долях единицы).

В диссертационной работе рассмотрено несколько примеров, иллюстрирующих работоспособность метода моделирования и прогнозирования динамики АО в атмосфере. С этой целью задаются сценарии начального задымления. Для каждого случая получены оценки влияния задымления на формирование термической и динамической структуры атмосферы, получены основные характеристики АО, влияющие на перенос электромагнитного излучения в видимом диапазоне, а также получены зависимости, иллюстрирующие изменение во времени горизонтальных и вертикальных размеров АО, их оптических толщин.

Расчеты показывают, что после завершения этапа своего формирования дымовые АО имеют оптическую толщину, равную десяткам и сотням единиц, и поэтому являются непреодолимым препятствием для распространения электромагнитных волн во всем оптическом диапазоне. Вместе с тем, коэффициент закрытия отдельны: регионов сравнительно небольшой (порядка 1%). В дальнейшем происходит увеличение коэффициента закрытия, но при этом имеет место уменьшение оптической толщины АО. Полученные коэффициенты могут быть использованы для оценки эффективности применения оптических систем наблюдения, установленных на воздушных и космических носителях.

В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты к которым относятся:

- концептуальные основы разработки специализированных математических моделей атмосферы, ориентированных на решение определенного круга научных и практических задач,

- методологические и теоретические основы разработки математических моделей задымленной атмосферы, предназначенных для оценки последствий интенсивного задымления на метеорологический режим и прогнозирования условий землеобзора при наличии в атмосфере аэрозольных образований большой оптической плотности,

- разработана математическая модель, описывающая зональную

циркуляцию атмосферы и на ее основе получены оценки влияния задымления атмосферы на формирование фундаментальных параметров, определяющих крупномасштабную вихревую динамику - зона-льно-осредненный меридиональный температурный градиент и параметр статической устойчивости, а также на интенсивность влагооборота,

- выполнена оценка влияния задымления на крупномасштабную вихревую динамику на основе разработанной математической модели волнового канала на бета-плоскости. Впервые получены количественные оценки влияния атмосферной влаги на весь жизненный цикл бароклинно-неустойчивых возмущений, выяснены основные закономерности развития бароклинной неустойчивости и показано, что роль атмосферного влагооборота в развитии неустойчивых возмущений весьма существенна,

- на основе математической модели, описывающей динамику бароклинной пленки в поле силы Кориолиса, впервые получены количественные опенки влияния горизонтальной бароклинности (по Л.Т.Матвееву) на процессы зарождения и динамики синоптических вихрей,

- поскольку следствием интенсивного задымления атмосферы является формирование локализованных бароклинных зон вблизи береговой черты континентов, построена математическая модель циклогенеза промежуточного масштаба, происходящего в зонах максимальных температурных градиентов при вторжении клина холодного воздуха с млтерика на относительно теплую поверхность океана,

- выполнено численное моделирование нелинейного развития неустойчивых волн в локализованных бароклинных зонах,

- сформулирована и численно реализована полусферная модель крупномасштабной циркуляции атмосферы, использующая технологию вложенных сеток. Модель ориентирована на решение задач прогнозирования начальной стадии эволюции плотных аэрозольных облаков. Результаты прогнозирования могут использоваться в качестве начальных условий для моделей климата, изучающих долговременные последствия крупных аэрозольных выбросов в атмосферу.

- на основе телескопической модели атмосферы разработан метод прогнозирования условий землеобзора при наличии в атмосфере аэрозольных облаков большой оптической плотности.

Оснобныз результаты диссертационных исследований опубликованы в следующих работах:

1.Матвеев Ю.Л.,Матвеев Л.Т.,Солдатенко С.А. Глобальное поле облачности.-Л.:Гидрометеоиздат,1986.- 289с.

2.Солдатенко С.А.Математическое моделирование и гидродинамический прогноз атмосферных процессов на основе полных уравнений гидротермодииамики.-Изд-во МО СССР,1989.- 255 с.

3.Солдатенко С.А.Математическое моделирование крупномасштабных метеорологических эффектов, обусловленных загрязнением атмосферы силыюпоглощащим аэрозолем/ТИзв.АН СССР.Физика атмосферы и океана.-1991 .-Т.27.-Ш.

4.Солдатенко С.А. Численное моделирование волнового циклогенеза во влажной бароклинной атмосфере//Метеорология и гидрология. -1989. -№7.

5.Матвеев Л.Т..Солдатенко С.А. Циклогенез в бароклинно-неус-тойчивых волнах//Метеорология и гидрология.-I989.-№3.

' 6.Матвеев Л.Т..Солдатенко С.А. О влиянии тепла конденсации на спектральное распределение энергии бароклинно-неустойчивых мод//Докл.АН СССР.-1989.-Т.306.-И.

7.Матвеев Л.Т.,Солдатенко С.А. О влиянии бароклинности на крупномасштабное вихреобразование в атмосфере//Докл.АН СССР.-

1989.-Т.308.-»5.

8.Солдатенко С.А. Гидродинамический региональный прогноз слоистообразной облачности и,осадков//Метеорология и гидрология. -1984. -ii2.

9.Солдатенко С.А. О вычислительной эффективности явной численной схемы, основанной на методе расщепления, при решении задач прогноза погоды//Метеорология и гидрология.-1985.-№5.

Ю.Лушев В. Г.,Солдатенко С.А. Параметризация подсеточных процессов в региональной прогностической модели//Меквуз.сб. Л.:ЛИЛ.-1984.-Вып.84.

11.Солдатенко С.А. Чувствительность результатов численного моделирования 'поля облачности к методам параметризации физических процессов//Межвуз.сб.-Л.:ЛПИ.-1985.-Вып.88.

12.Солдатенко С.А. Численное моделирование как инструмент изучения влияния антропогенных воздействий ка окружающую среду //Геофиз.обеспечение видов ВС СССР.Тезисы докл. НТК 20-22 ноября 1984. Л.:ВИКИ.1984.

13.Солдатенко C.A.K вопросу о математическом моделировании

последствий ядерной войны//Геофиз.обеспечение видов ВС СССР. Тезисы докл. НТК 20-22 ноября 1984.-Л.:ВИКИ.1984.

14.Матвеев Л.Т..Солдатенко С.А. Модели синоптических вихрей и их облачных систем в бароклинной атмосфере//Гидрометеороло-гия - научно-техническое прогрессу.-Л.:Изд.ЛГМИ,1990.

15.Солдатенко С.А.,Суворов С.С. О спектре нормальных мод двумерной бароклинной атмосферы//Межвуз.сб.-Л.:ЛПИ.-1990.-Вып.108.

16.Матвеев Л.Т..Солдатенко С.А. К теории образования и прогноза туманов испарения//Метеорология и гидрология.-1977.-К.

17.Матвеев Л.Т..Солдатенко С.А. К теории адвективных тума-нов//Иэв.АН СССР.Физика атмосферы и океана.-1978.-Т.14.-№2.

18.Матвеев Л.,Солдатенко С.А. Модель облачности стационарного фронта//Метеорология и гидрология.-1981.-№2.

19.Матвеев 13.Л.,Солдатенко С.А. Влагосодержание вертикального столба атмссферы//Труды ВНШГМИ-МЦЦ.-1982.-Вып.94.

20.Матвеев Ю. Л..Солдатенко С.А. Роль пограничного слоя атмосферы в образовании фронтальной облачности//Межвуз.сб.-Л.: ЛПИ.-I982.-Вып.81.

21.Солдатенко С.А. Численная модель мезомасштабного прогноза облачности//Межвуз.сб.-Л.:ЛПИ.-1983.-Вып.82.

22.Солдатенко С.А. Модификация метода расщепления для решения задач моделирования и прогноза крупномасштабных полей об-лачности//Меявуз.сб.-Л.:ЛПИ.-1986.-Вып.92.

23.Солдатенко С.А.Аналитическая инициализация в задачах численного моделирования атмосферных процессов с учетом динамики облачности/Л'етоды. получения и обработки информации.-Изд.МО СССР.-1986.-Вып.9(51).

24.Солдатенко С.А. Численное моделирование глобального зонально осредненного поля облачности//Метеорология и гидрология.-1986.-И0.

25.Солдатенко С.А. О построении монотонных численных схем на основе сохранения тотальной вариации для решения задач переноса консервативных примесей//Всесоюзн.симпозиум "Геофиз. аспекты переноса примесей в верхней атмосфере".Тезисы докл.-Обнинск, 1990.

Яо.длриков В.В.,Солдатенко С.А.,Ширснко А.П. Математическое ь'0//'лирование фоноцолевой обстановки при крупномасштабном заг-г.;к>»?аним атг<пс&ери/ЛУ11 ШК "Исследогание и моделирование

СЦ0"-М.:ЦНП0 "Комета",1990.

27.Красночуб Н.С..Солдатенко С.А. Моделирование климатических возцущений, вызванных вариациями атмосферного аэрозоля// Методы и средства информационных технологий в науке.-Л.:Наука, 1990.

28.Солдатенко С.А.,Матвеев Ю.Л. Численная модель синоптических вихрей в бароклинной атмосфере//Исследование вихревой динамики и энергетики атмосферы и проблема климата.-Л.:Гидроме-теоиздат,1990.

29.Матвеев Л.Т.,Солдатенко С.А. 0 влиянии скрытого тепла конденсации на фронтогенез//Исследование вихревой динамики и энергетики атмосферы и проблема климата.-Л.:Гидрометеоиздат, 1990.

30.Солдатенко С.А..Матвеев Ю.Л. Моделирование фронтальной облачности в градациях ИКАО для метеообеспечения авиации//Те-зисы докл. 3 Всесоюзн. конф.-Л.:0ЛЛАГА,1982.

• 31.Солдатенко С.А. Физико-статистический прогноз низкой облачности и тумана//Тезисы докл. 4 Всесоюзн. конф.-Л.:0ЛЛАГА, 1985.

32.Лушев D.Г..Солдатенко С.А. Численные эксперименты по исследованию влияния озона, водяного пара и аэрозоля на термодинамический режим средней атмосферы//Тезисы докл. 5 Всесоюзн. совещания по иссл. динамич. процессов в верхней атмосфере.-Обнинск,1985.

33.Матвеев Л.Т..Солдатенко С.А. Численные модели формирована к прогноза облаков//0птика атмосферы.-1988.-Т.I.-Ж).

34.Исмаилов Г.X.,Солдатенко С.А. К вопросу о параметризации неконвективной облачности в математических моделях атмосферы// Вопросы вычислит, и прикл. математики.-Ташкент.-Изд.АН УзССР. 1988.-Вып.85.

35.Веселкин М.Г.,Солдатенко С.А.,Суворов С.С. 0 решении задачи Дирихле для уравнения Пуассона прямым методом/Актуальные вопросы обработки информации.-Изд.МО СССР. 1988.

36.Солдатенко С.А. 0 динамике синоптических вихрей в бароклинной атмосфере/Деявуз.сб.-Л.:ЛПИ.-1989.-Вып.I02.

37.Солдатенко С.А. Математическое моделирование эволюции ба-роклинно-неустойчивых возмущений во влажной атмосферз//Межвуз. сб.-Л.:ЛПИ.-1989.-Вып Л 04.