Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Модель стратифицированного бароклинного пограничного слоя атмосферы, параметризация горизонтального турбулентного обмена и их приложение к решению прикладных задач

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Модель стратифицированного бароклинного пограничного слоя атмосферы, параметризация горизонтального турбулентного обмена и их приложение к решению прикладных задач"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ ИМ. А.И.ВОЕПКОВА

МОДЕЛЬ СТРАТИФИЦИРОВАННОГО БАРОКЛИННОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ, ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ОБМЕНА И ИХ ПРИЛОЖЕНИЕ К РЕШЕНИЮ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ

11.00.09 — МЕТЕОРОЛОГИЯ. КЛИМАТОЛОГИЯ И АГРОМЕТЕОРОЛОГИЯ

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

УДК 551.510.522:551.501.24.001.24

ШНАЙДМАН ВОЛЬФ АБРАМОВИЧ

ЛЕНИНГРАД

Работа выполнена в Одесском гидрометеорологическом

институте

.Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник

доктор физико-математических наук, профессор Л.Т. Матвеев доктор физико-математических наук, профессор Д.В. Чаликов

Ведущая организация -Ордена Ленина Гидрометеорологический научно-исследовательский центр СССР

Защита состоится и&ЛуР-^а— 199 -х в ¿О часов

на заседании специализированного совета Д.024.06.01 по защите диссертации на соискание ученой степени доктора наук при Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова по адресу: 194018, Ленинград, ул. Карбышева, д. 7. /

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова

Автореферат разослан 199 ¿¿г.

А.Е. Аяоян

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор географических наук

н.В. Кобышева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

^ Актуальность работы. Количественное описание атмосферных процессов с учегом многообразия фиаических факторов и механизмов их взаимодействия осуществляемся с помощью методов моделирования. Одним из направлений исследований физики атмосферы, где с успехом используется моделирование, является количественное описание структуры пограничного слоя атмосферы (ПСА). Построение физически обоснованной, экспериментально подтвержденной, экономичной в вычислительном отношении модели пограничного слоя позволяет осуществить параметризацию эффектов ПСА в современных оперативных численных схемах прогноза и разработать методы решения прикладных задач для обслуживания народного хозяйства и охраны окружающей среды.

В настоящее время существуют несколько подходов к построению моделей пограничного слоя, используемых для решения широкого спектра прикладных задач. Среди них выделим два основных направления :

1) модели, основанные па „К - теории" замыкания с привлечением уравнений баланса кинетической турбулентной энергии, скорости диссипации и характерного размера турбулентных вихрей ;

2) модели высокого уровня замыкания, в которых использованы уравнения для высших-моментов пульсаций метеорологических величин.

Несомненно, что модели высокого уровня замыкания позволяют более полно описать физические процессы. Однако, потенциальные возможности иК- теории" .турбулентности также далеко не исчерпаны. Модели пограничного слоя, основанные на «К - теории", в которых замыкание осуществлено с помощью уравнений баланса кинетической энергии турбулентности, скорости диссипации, а в приземном подслое для количественного описания вертикального распределения метеорологических величин использована теория подобия и размерностей Монина-Обухова, с успехом могут быть применены для решения задач учета эффектов ПСА при моделировании крупномасштабных атмосферных процессов, восстановления вертикальных профилей метеовеличин и параметров турбулентности в нижней части атмосферы по данным объективного анализа и гидродинамического прогноза на основных изобарических поверхностях,

определения сходной информации в задаче рассеяния промышленных примесей. Актуальность решения перечисленных научно-прикладных задач несомненна. Необходимость их решения определяет цель выполненного исследования.

Целью диссертации является построение физико-математической модели стратифицированного бароклинного пограничного слоя атмосферы на основе замкнутой системы уравнений гидротермодинамики, разработка методики параметризации аффектов ПСА и горизонтального турбулентного обмена в численных схемах гидродинамического прогноза, создание методов определения характеристик внутренней структуры ПСА по диагностической и прогностической аэрометеорологической информации.

Научная новизна и основные результаты. Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке методов количественного описания структуры стратифицированного бароклинного пограничного слоя, параметризации эффектов ПСА и горизонтального турбулентного обмена при моделировании крупномасштабных атмосферных процессов, создании комплекса вычислительных алгоритмов и программ решения прикладных задач физики нижнего слоя атмосферы.

Основные новые научные результаты, представляющие решение научной проблемы - моделирование внутренней структуры пограничного слоя атмосферы и параметризация эффектов турбулентного обмена в численных схемах гидродинамического прогноза - можно сформулировать следующим образом.

1. Построена физико-математическая модель, учитывающая основные процессы в пограничном слое и подтвержденная экспери-метальнъши данными.

2. Разработана методика параметризации эффектов ПСА в задачах гидродинамического прогноза погоды, с помощью которой по данным ПГЭП получено распределение интегральных характеристик ПСА для широкого набора термодинамических ситуаций.

3. Сконструирован вычислительный алгоритм количественного описания внутренней структуры ПСА по данным объективного анализа, радиозондирования, измерений на высотных метеорологических мачтах и получены количественные характеристики ПСА для широкого диапазона внешних определяющих параметров.

4. Получено пространственное распределение коэффициента

горизонтального макротурбулентного обмена ( ) для периодов специальных наблюдений ПГЭП по северному полушарию, сформированы рекомендации по расчету А^ в численных схемах прогноза.

5. Показано улучдэкие качества прогноза геопотенциала, температуры и ветра на основных изобарических поверхностях с помощью численных схем ГМЦ СССР и САШИ с использованием разработанной методики параметризации эффектов ПСА, применимость предложенного метода восстановления детальных вертикальных профилей прогностических значений метеовеличин и параметров турбулентности в нижнем двухкилометровом слое атмосферы.

6. С использованием предложенной модели стратифицированного бароклинного ПСА разработаны методы количественной оценки вертикальных движений на верхней границе ПСА и в свободной атмосфере, восстановления вертикальных профилей метеовелкчин и параметров турбулентности по данным измерений метеостанций, моделирования взаимодействующих океанского и атмосферного слоев.

7. Построена модель пограничного Ьлоп над неоднородней подстилающей поверхностью и выполнено количественное описание циркуляционного, термического и турбулентного режимов над городской застройкой.

Практическая значимость. Предложенный метод количественного описания внутренней структуры ПСА базируется на стандартной аэрометеорологической информации, что позволяет осуществить его внедрение в численные схемы гидродинамического прогноза и использовать при оценке степени загрязнения воздушного бассейна промышленными примесями. Результаты диссертационной работы являются разделами тем 1.02а.01 «Усовершенствовать гидродинамическую модель прогноза по северному полушария полей геопотенциала, температура и ветра на сроки до 3 суток, влажности на 24 часа" (1985 - 1988 г г.), 1.2а.1 и 1.2в.22 -Развитие оперативных методов прогноза основных метеовеличин в свободной атмосфере и пограничном слое на основе усовершенствованных гидродинамических моделей" (1989 - 1990гг.У.28.13 «Разработать методику комплексного исследования загрязнения воздушного бассейна г. Москвы с использованием данных дистанционного космического

зондирования" ( 1986 - 1990гг) плана НИР Госкомгидромета.

Полученные результаты использованы в курсе лекций по динамической метеорологии ь Одесском гидрометеорологическом институте и вошли в учебник по численным методам прогноза.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подт тверждаются тем, что в разработанной модели учтены основные физические механизмы формирования стратифицированного бароклин-ного пограничного слоя атмосферы, а также согласованием расчетных величин с данными измерений на высотной метеорологической башне (г.Обнинск), полигонных наблюдений (ФРГ), радиозондирования (п. Воейково и Долгопрудный), улучшением качества прогнозов при использовании разработанной методики параметризации в численных схемах ГМЦ СССР и САНИИ.

Апробация работы. Результаты выполненного исследования докладывались на Всесоюзных' конференциях по авиационной метеорологии (Москва, 1982г, 1986г, Суздаль, 1990г); на Всесоюзном симпозиуме по математическому моделированию атмосферной конвекции (Долгорудный, 1986г), на Всесоюзном семинаре по взаимодействию пограничных слоев атмосферы и океана (Ленинград, 1987г), на Всесоюзных конференциях по программе »1 Разрезы" (Одесса, 1984г, 1989г), на Всесоюзной конференции по интерпретации гидродинамических схем прогноза (Нальчик, 1989г), на Всесоюзном совещании по оценке чувствительности моделей (Москва, 1989г), на Международной конференции по загрязнению атмосферы (Ленинград, 1986г), на Международных конференциях Комиссии АН социалистических стран по планетарной геофизике (Ереван, 1988г, Шопрон, Венгрия, 1989г). Полностью работа излагалась на научных семинарах Гидрометцентра СССР (г.Москва), Главной геофизической обсерватории (г.Ленинград), Гидрометеорологического института (г.Одесса).

Основное содержание диссертации представлено в монографии и 32 статьях. В публикациях, выполенных в соавторстве, диссертантом осуществлена постановка задач, разработаны методы решения, выполнен анализ полученных результатов.

Структура диссертации. Диссертация общим объемом 346 страниц машинописного текста состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 158 источников, и приложения, В диссертации имеются 41 рисунок и 62 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация является результатом завершенных исследований по проблеме моделирования пограничного слоя атмосферы, выполненных в период 1975 - 1990г г.

Во введении обоснована необходимость построения различных видов моделей пограничного слоя атмосферы для решения широкого спектра прикладных задач. Показано, что модели, основанные на „К - теории", в которых замыкание осуществлено с помощью уравнений баланса кинетической энергии турбулентности, скорости диссипации и соотношения Колмогорова для коэффициента турбулентности могут быть применены для количестпенного описания внутренней структуры стратифицированного бароклинного пограничного слоя атмосферы. Подчеркнуто, что полученные результаты применимы для целей параметризации эффектов ПСА и горизонтального мак-ротурбулентного обмена, расширения выходной информации в численных схемах гидродинамического прогноза погоды, а также в задачах количественной оценки загрязнения атмосферы за счет антропогенных воздействий и описания циркуляционного, термического и турбулентного режимов над городской застройкой. Обоснована актуальность выполненного исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость выполненной работы.

Глава I. Модель планетарного пограничного слоя атмосферы.

В п. 1.1 дан краткий обзор исследований по теории пограничного слоя применительно к задачам параметризации.эффектов ПСА при гидродинамическом моделировании крупномасштабных атмосферных процессов и воспроизведения внутренней структуры ПСА по стандартной аэрометеорологической информации, в частности, по данным объективного анализа и прогноза полей метеорологических величин на основных изобарических поверхностях. Рассмотрен наиболее распространенный способ параметризации, основанный на расчете приземных турбулентных потоков импульса и тепла, оцениваемых, во-первых, с помощью теорий подобия для приземного подслоя (Ыонина - Обухова) и пограничного слоя (Казанского - Монина), во-вторых, путем синтеза аэродинамического .метода и ..К - теории" и, в-третьих, путем решения замкнутой системы уравнений ПСА, Для количественного описания внутренней структуры ПСА важной проблемой становится замыкание исходной системы уравнений гидротермо-

динамики. В обзоре отражены основные направления исследований в проблеме замыкания, проанализированы работы, использующие .■К - теорию" замыкания с заданием профиля коэффициента турбулентности, с привлечением уравнения баланса кинетической энергии турбулентных вихрей. Рассмотрены так называемые ■> 6 - I " модели замыкания, в которых использованы аналитические выражения для характерного размера вихрей, либо решение дифференциального уравнения для него. Наконец, в рамках ..К - теории" дан. анализ возможности построения замкнутой системы с привлечением уравнений баланса кинетической турбулентной энергии и скорости её диссипации, так называете и Ь - <£ " модели замыкания. Подчеркнуто, что такая постановка задачи, получившая наиболее широкое распространение в исследованиях по аэродинамике и применительно к задачам физики океана, обладает несомненными преи-л муществами по сравнение с другими схемами замыкания в рамках „К - теории".

Естественным развитием теории атмосферного пограничного слоя явилось построение модели ПСА с и ё - £ " замыканием.

В п. 1.2 сформулирована постановка задачи о пограничном слое атмосферы. Модель построена для атмосферных процессов синоптического масштаба (пространственный масштаб 500 - 1000 км, временной - 12 - 24 часа).К основным физическим факторам, учтенным в разработанной модели, относятся динамическое и тепловое взаимодействия с подстилающей поверхностью, которые определяют распределение метеовеличин и параметров турбулентности в приземном подслое. Выше приземного подслоя структура пограничного слоя определяется не только динамическим и термическим воздействием подстилающей поверхности, но и характеристиками крупномасштабного атмосферного потока, эффектом вращения Земли и вертикальным турбулентным обменом, формирующимся за счет механизма свободной турбулентности. Эту часть пограничного слоя от верхней границы приземного подслоя до уровня, где метеорологические величины близки к значениям в невозмущенном потоке, будем называть свободным пограничным слоем. Оценка членов в уравнениях движения, баланса кинетической турбулентной энергии и скорости её диссипации показала, что для рассматриваемых масштабов могут быть использованы стационарные одномерные уравнения, в

которых неизвестные функции составляющих скорости ветра ( и, \1 ), кинетической энергии турбулентных вихрей для единицы массы воздуха ( й ) и скорости диссипации турбулентной энергии в тепловую ( ¿ ) зависят от пертикальной координаты ( X ). При принятых ограничениях воспользоваться уравнением притока тепла практически невозможно, так как в нем производная по времени от температуры, адвективные члены и турбулентный приток тепла одного и того же порядка. Поэтому для турбулентного потока тепла ( ) задавался аппроксимационный профиль либо <3(2) рассчитывался по величине коэффициента турбулентности ( ), определенного из соотношения Колмогорова, и вертикального градиента потенциальной температуры, найденного по измеренному профилю температуры.

Выпишем систему уравнений для пограничного слоя в системе координат, где ось х направлена по вектору приземного тангенциального турбулентного напряжения ( Го ). Для приземного подслоя ( от уровня шероховатости до верхней границы Ь , '¿* < X 4 к. ) соотношения для расчета вертикальных профилей имеют

вид :

иш= £' [сп 1 -

еа) = 9(*.) - §' [еп уо - % О) - % а.))

* ,/ <3. \

Здесь ¿"Х/Ь,, /( * О, )

¿ь^ш/р, 6.= -¿. /с,ргГ*

Универсальные функции

к ш и <4 а)

, взятые в форме, предложенной Бюзингером, списывают эффэкт температурной стрятуфика-

ции ( при £ = 0, Ни(0)=% (0)= 0 ). Выражение для коэффициента турбулентности получено из условия постоянства потока импульса, а для интенсивности турбулентности 6(X) -из уравнения баланса турбулентной энергии для приземного подслоя. Высота 1% рассчитывается из соотношений, полученных Йордановым :

'0.02 I,

0.03 и -5йиЛ.<5 .0.04 и /и<: - 5

где - &11И - экмановский масштаб высоты пограничного слоя. Выпишем систему уравнений движения, баланса кинетической энергии турбулентности и скорости её диссипации для свободного пограничного слоя высотой Н :

¿и

(Ж)1 + ± + в6

Ы*/ \ыг/ в0 С/,¡>

'(М)1 1 ± т + 1 ± М

их) + {¿г/ 9, сгр ¿ь е алкаг

и = сСс ¿7<$

0

ЦЫ =

- 'к

иг

% < -¡ы * к,

Ь,= 4, + 0.5 ( Н- Ь) Нв

Величина

Л%

г-Н

определена по фактическому распределению

температуры вблизи верхней границы ПСА. Рассчитанные из соотношения для приземного подслоя и(М , ¿(М приняты . в качестве нижнего граничного условия. Вблизи верхней границы составляющие фактического ветра близки к геострофическим (Щ ,

), а величины и £ принимали малые значения (их безразмерные значения на уровне верхней границы ПСА порядка 10 ).Собственно из этого условия определена высота пограничного слоя, так как расчетная область по вертикали заведомо превышала И

В рассмотренной постановке задачи удалось связать вертикальные профили параметров пограничного слоя с заданными внешними и подлежащими определению внутренними интегральными характеристиками ПСА. К внешним параметрам относились составляющие

приземного геострофического ветра и , вертикаль-

,. ии.} ы.!Л

ные градиенты геострсфического ветра з? и и7 > вертикальный градиент потенциальной температуры (¿пг)н « а к внутренним-динамическая скорость , угол отклонения приземного факти-

ческого ветра оС и приземный турбулентный поток тепла <3» . Дня определения интегральных параметров ПСА осуществлено интегрирование уравнений движения и выражения для турбулентного потока тепла по всему пограничному слою. Получены соотношения для

»6 и Фо • При этом к перечисленным внешним параметрам добавлен перепад потенциальных температур в приземном подслое либо в пограничном слое.

В п. 1.3 сформулирован вычислительный алгоритм решения задачи. Дня количественной оценки характеристик ПСА в виде универсальных зависимостей от внешних параметров и вертикальной координаты замкнутая система уравнений записана в безразмерном виде. В этом случае в качестве внешних характеристик ПСА получены: число Россби - /?о = I Ур I /У • 2о , нижний и верхний параметры стратификации - ^ = £ «,

характеристики бароклинности - Лх = ^г , ¿Г сГг > а в

качестве внутренних интегральных параметров - геострофический коэффициент трения , угол отклонения еС и

внутренний параметр стратификации - Ье /1**

Система безразмерных уравнений решалась численно, были эализованы два вложенных итерационных цикла ( по и ).

Для решения системы конечно-разностных уравнений применялись матричная и обыкновенная прогонки. Подчеркнем, что коэффициенты

и свободные члены в конечно-разностных уравнениях баланса энергии и диссипации конструировались таким образом, чтобы выполнялись условия устойчивости и положительности численного решения. Выполнены численные эксперименты по расчету характеристик ПСА для широкого диапазона внешних параметров.

Так как одной из основных задач работы является параметризация эффектов ПСА, то результаты численных экспериментов были использованы для построения аппроксимационных зависимостей внутренних параметров (_Х , od , JJ-- , У" ) от внешних ( Re • S , Ля , Ау , ^ ). Использование этих зависимостей является в настоящее время необходимым условием для внедрения методики параметризации в оперативную практику. Зависимость величин X и od от ßo , 5 , А*, Лу представлена в виде :

j((Ro, S, Ах, im (Ах, Xij) jCerCRo, S)

оС (£. , 5 , Л*, ./Ц)= ЮПг (Ал, Ау)-der (Ro, S)

Изменения верхнего параметра стратификации V • мало влияли на JC и cd .„Баротропные значения » аппроксимирова-

лись полиномами второй степени йо и S , а коэффициенты, учитывающие эффект баровдинности mi и пи - линейными функциями Ах и Лу . Внутренний параметр стратификации /1о находился по нижнему параметру стратификации S из универсальных функций Еюзингера. При устойчивой стратификации решалось квадратное уравнение относительно JUL„ . При неустойчивой стратификации решение трансцендентного уравнения записано в виде набора линейных функций для различных интервалов изменения параметра, представляющего собой комбинацию величин 5 и jC . По значениям JU„ и ^ определялись мбаротропные" значения безразмерной модельной высоты ПСА, а затем вводилась поправка на бароклинность. Для всех параметров поправка на бароклинность существенна лишь для стратификации, близкой к безразличной и неустойчивой. Величины интегральных параметров, рассчитанные путем численного решения полной задачи о пограничном слое и найденные из аналитических выражений, различались не более, чем на 10 %. В конце главы дано описание основного модуля программы ..Вертикаль" для расчета интегральных и дифференциальных характеристик ПСА по внешним параметрам.

В главе 2 «Количественные характеристики пограничного слоя атмосферы при различных термодинамических условиях" приведены результаты расчетов по данным объективного анализа, радиозондирования и высотной метеорологической мачты. Естественно, в зависимости от исходной информации применялись различные расчетные формулы для оценки внешних определяющих параметров.

В п. 2.1 изложена методика расчета внешних параметров, когда в качестве исходных данных взяты значения геопотенциала и температуры в узлах регулярной сетки на изобарических поверхностях 1000, 850 и 700 гПа или 1000, 925 и 850 гПа. В этом случае скорость геострофического ьетра вблизи подстилапщей поверхности рассчитана по Н^рд, а па верхней границе ПСА - по К925 или По составл;ю!цим геострофического ветра на нижней и

верхней границах ПСА находились и ¿у* , которые счи-

тались постоянными в пределах ПСА. Шероховатость сули оценивалась из логарифмического закона по коэффициентам аэродинамического сопротивления, приведенным п данных ПГЗП. Для акватории океана значение шероховатости рассчитывалось по формуле Чарно-ка. Существенные трудности возникли при оценке стратификации в приземном подслое по данным о температуре ка основных изобарических поверхностях. Анализ экспериментальных данных показал, что стратификация в слоях ОТт^о и как правило, смеще-

на в сторону более устойчивой по сравнению с реальной стратификацией в приземном подслое, если в качестве критической величины вертикального градиента температуры выбиралось сухоэдиабати-ческое значение. Если же в качестве критического значения взять величину Л« < Уа. , хо количественное описание стратификации в приземном подслое по данным на основных изобарических, поверхностях существенно приближалось к фактическому. Следует подчеркнуть, что введение модифицированного вертикального градиента потенциальной температуры можно интерпретировать, как использование выражения для турбулентного потока тепла с учетом проти-воградиентноЯ добавки. Выбор ¿я. ~ 0.65.10"" К/м позволил о 90 % случаев воспроизвести неустойчивую стратификацию в приземном подслое по данным о температуре на уровне метеорологической

удки и ейлизи поверхности АТ-850. Верхний параметр стратифика-

/ 1

цни (определялся по потенциальным температурам на поверхностях 925 и 850 гПа, либо 850 и 700 гПа.

При использовании данных радиозондирования для расчета ха-

рактеристик ПСА трудности возникли при оценке скоростей геострофического ветра. В работе рассмотрен вопрос о выборе опорных уровней измерений, на которых фактический ветер можно считать геострофическим. Составляющие приземного геострофического ветра находились путем линейной экстраполяции ветра с опорных уровней на анемометрический. Предусмотрен также вариант пересчета приземного геострофического ветра по скорости фактического ветра на анемометрическом уровне. Перепад потенциальных температур в приземном подслое рассчитывался по температурам на уровнях метеорологической будки X/ и первой особой точки

, причем в зависимости от толщины слоя %г. - 2/ использовались Ко. либо ¿в . Следует подчеркнуть, что при решении прикладных задач методика определения входных параметров играет важную роль, так как степень точности их определения и соответствия физической постановке задачи существенно влияют на достоверность полученных результатов.

В п.2.2 произведена верификация модели. Получено, что разработанная модель хорошо согласована с экспериментальными данными. Точность расчета интегральных параметров ПСА превосходила другие теоретические модели, что подтвердило возможность её использования для целей параметризации.

Для оценки качества восстановления вертикальных профилей скорости ветра в ПСА расчеты были выполнены по данным'высотной метеорологической башни ИЭМ (г. Обнинск), полигонных наблюдений (Меппен, ФРГ), данных радиозондирования ( п. Воейково и Долгов прудный). Были охвачены все виды термической стратификации и адвекции, диапазон скоростей геострофического ветра до 20 м/с. 0тмет::ч, что наилучшее согласование рассчитанных и измеренных величин отмечалось при безразличной стратификации и безадвективных услооиях, наибольшие ошибки наблюдались при устойчивой стратификации, особенно при наличии температурных инверсий и при адвекции холода. В вертикальном профиле максимальные погрешности отмечались при расчете приземного ветра. Средняя ошибка расчета модуля ветра не превышала 1.0 м/с, а направления - 10°, наибольшие ошибки достигали 2.0 м/с и 15°. Таким образом, разработанная модель ПСА прошла экспериментальную проверку для широ~ кого диапазона термодинамических условий. Подтверждена возможность её использования для решения прикладных задач.

В п. 2.3 обобщены полученные в численных экспериментах и при верификации модели количественные оценки параметров внутренней структуры ПСЛ для широкого диапазона термодинамических условий, позволяющие существенно расширить имеющиеся сведения о характеристиках ПСЛ. При характерных значениях числа Россби для суши 10^- 10^ и величин ^¿Л, от -30 до +30 геострофическим коэффициент трения менялся от 0.17 до 0.05, а угол отклонения от 36° до 20°, для акватории моря число Россби менялось от 10^ до Ю^2, геострофический коэффициент трения - от 0.05 до 0.03, угол отклонения от 24° до 10° (напомним, что _Х , Ж =0.40).

Эффект адвекции тепла (холода) приводил к росту (уменьшению)^ и к уменьшению (росту) оС- примерно на 20 - 25 % и 30 - 50 % соответственно. Отношение модельной высоты ПСА к экманопскому масштабу определялось параметрами /¿с и т) и при » 300 и от -30 до +30 изменялось от 0.18 до 0.52. При ^ 1500 верхний предел Ип уменьшался до 0.32. В работе проанализиро-> ваны вертикальные профили безразмерных величин кинетической энергии турбулентности, скорости её диссипации и коэффи"иента турбулентности, выявлены закономерности вертикального распределения укапанных величин при различном характере термической стратификации и адвекции.

Приведем количественные оценки внешних и внутренних параметров ПСА, полученные по обобщением данным радиозондирования п. Воейково: 6,6 м/с ^ <У)5\ 19,5 м/с; -0.25 К/Ю0м ^ М й 3.3 К/100м; 0.31 м/с ^ Л < 0.80 м/с; 16° ^ сС * 41°; -100 Вт/м2^ 0.^23 Вт/м2: 310 м « И 4 1260 м;

о 2

1,5 м /с £ ^ Со м с. При скорости приземного геострофи-

ческого ветра 18 м/с, безразличной стратификации и горизонтальном градиенте температуры 2 Н/Ю0 км было найдено, что при ад-векгии тепла ¡Л» » 0.88 м/с, =» 15°, Н = 1270 м, при парал-лелывдх изогипсах и изотермах - * = 0.78 м/с, = 25°, Н = 1200 м, а при адвекции холода - = 0.68 м/с, = 35°, И = 840 м. Наконец, типовые вертикальные профили характеристик ПСА для условий ровной местности с шероховатостью несколько десятков сантиметро», были получены на основе классификации дан-¡ых радиозондирования п. Долгопрудный за 1С-летний период. Классификация была произведена по градациям скорости и направления ветра на АТ-850, вертикальных градиентов потенциальной темпера-

туры в приземном подслое и вблизи верхней границы ПСА, адвективного изменения температуры за 12 часов. Количественные характеристики ПСА рассчитаны для 182 классов, которые охватывали ситуации со слабым, умеренным и от умеренного до сильного ветром, безразличной стратификацией во всем слое, приземной и приподнятой инверсиями, слабой неустойчивостью в приземном подслое. Представленные в настоящей главе сведения о характеристиках ПСА могут быть использованы в задачах охраны чистоты воздушного бассейна и регионального прогноза погоды.

В главе 3 ..Пространственно-временное распределение метеорологических величин и характеристик турбулентности в планетарном пограничном слое атмосферы северного полушария" по данным уровня За архива Первого глобального эксперимента ПИГАП (ПГЭП) с шагом 2,5°х 2,5° для северного полушария были выполнены расчеты характеристик ПСА. Полученные результаты позволили выявить закономерности пространственно-временного распределения параметров ПСА и их взаимосвязь с термобарическими ситуациями. Аналогичные расчеты были проведены для Европейской территории СССР по данным оперативного объективного анализа Гидрометцентра СССР.

В п. 3.1 приведены результаты расчетов интегральных характеристик ПСА для северного полушария по данным за периоды специальных наблюдений ПГЭП с 14 по 20 января и с 25 по 30 июня 1979 г. Рассмотрена эволюция термобарических полей в указанные периоды и связанное с ней изменение пространственно-временного распределения ПСА. Для удобства анализа северное полушарие разбито на три широтных пояса ; 5°- 30°, 31°- 60°, 61°- 85° и для каждого пояса выделены экстремальные значения интегральных характеристик ПСА. В зимний период максимальные значения модуля турбулентного потока тепла достигали 100 Вт/м^ и отмечались в средних широтах. Максимальные по модулю отрицательные потоки почти в три раза превышали положительные. В умеренных и приполярных широтах характерные значения Qo составляли 20-30 Вт/м** для устойчивой стратификации и порядка 10 Вт/м^ - для неустойчивой. Равномерно высокий фон отрицательных турбулентных потоков тепла характерен для областей высокого давления над сушей, при этом наибольшие Idol отмечались при адвекции тепла. Вблизи границ раздела континент- океан в зависимости от направления переноса воздушных масс формировались большие, по модулю величины Qо

В летний период максимальные положительные потоки смещались в сторону низких широт и достигали порядка 40 - 50 Вт/м^. Характерные значения I <3° I составляли 10 - 15 Вт/м*" при устойчивой и 15 -20 Вт/м** при неустойчивой стратификациях. Характерные значения динамической скорости составляли зимой 0.3 -0.5 м/с, а летом - 0.2 - 0.3 м/с. Максимальное значение V* за рассматриваемый зимний период составило 1.28 м/с, за летний -1.13 м/с. Как в летний, так и в зимний периоды наиболее интенсивный обмен импульсом приходился на средние широты. При этом зоны больших значений Л локализовались над сушей в районах с большими значениями скорости геострофического ветра и параметра шероховатости. Над акваторией океана большие значения II» отмечались в тех областях, где скорость ветра превышала 10 м/с. Доминирующим фактором, влияющим на отклонение приземного ветра от геострофического, является поле шероховатости. Характерные для суши значения

оС 25°- 35°, а для водной поверхности- 10°- 15°. Поле модельной высоты ПСА подвержено большой временной и пространственной изменчивости - от значений 100 м до 2 км. Значения И , большие 1000 м, отмечались при неустойчивой стратификации и скоростях ветра 15 м/с, при устойчивой стратификации и указанных скоростях значения М изменялись в пределах 500 - 1000 м.

В п. 3.2 представлены результаты расчетов вертикальных профилей характеристик ПСА по данным ПГЭП для Европейской территории СССР. Синоптическая ситуация характеризовалась тем, что в рассматриваемом регионе большие скорости геострофического ветра сочетались с устойчивой стратификацией и адвекцией холода, а скорости до Ю м/с - с безразличной стратификацией и адвекцией тепла. Сочетание таких внешних факторов привело к тому, что значения максимального (в вертикальном профиле) коэффициента турбулентности более 10 м /с отмечались лишь при м/с, а в целом изменчивость в горизонтальной плоскости от 0.5 до 24 м^/с. Этот вывод подтвердил необходимость учета пространственной изменчивости коэффициента турбулентности при решении прикладных задач, например, при расчете фрикционных вертикальных токов.

В п.3.3 приведена количественная оценка параметров ПСА по данным объективного анализа ГЩ СССР с шагом 150 и 300 км для Европейской территории СССР за период с 27 февраля по II марта

1987 г в сроки 00 и 12 ч СГВ. За рассмотренный период термобарическая ситуация характеризопалась прохождением циклонических возмущений и связанной с ними системы фронтальных разделов.Прохождение этих возмущений и фронтов привело к' изменению барических градиентов от 0.5 до 2.0 гПа/ЮО км, вертикальных градиентов потенциальной температуры - от -0.7 К/100 м до +2.1 К/100м, скорости геострофического ветра - от 3 до 20 м/с. Перечисленные внешние параметры определили диапазон изменения интегральных параметров ПСА: 0.12 м/с 0.80 м/с, -61 Вт/м2 ^ <Э„ ^ 36 Вт/м? 150 м - Н ^ 1220 м, 20°^сС 4 45°. Отметим, что полученные значения находились в пределах, оцененных по данным ПГЭП. Наибольшие значения коэффициентов турбулентности ( 41 м^/с и 30 м2/с ) были получены для района интенсивной фронтальной зоны в передней части циклона, где скорости геострофического ветра составляли 20 м/с и 18 м/с при безразличной и слабоустойчивой стратифи-кациях и интенсивной адвекции тепла. Сопоставление результатов расчетов для двух значений шага сетки ( 150 км и 300 км ) показало, что расхождение между ними не превосходило 10 % значений характеристик ПСА.

■Ь главе 4 п Количественные характеристики горизонтального турбулентного обмена по данным ПГЭП" в рамках и К-теории" получены общие выражения для членов в уравнениях гидротермодинамики, описывающих горизонтальный турбулентный обмен. Проведен расчет, анализ и сопоставление коэффициентов макротурбулентности, вычисленных по различным методикам параметризации. Рассчитан «энергетический" коэффициент макротурбулентности, определенный по скорости обмена энергией между осредненным и пульсационным движениями. Исследовано явление отрицательной вязкости.

В п.4.1 дано описание горизонтальной турбулентности в уравнениях гидротермодинамики. Приведены методы расчета коэффициентов турбулентности, основанные на идее разделения атмосферных движений на крупномасштабную и вихревую составляющие.Согласно гипотезе Колмогорова коэффициент макротурбулентности выражается через характерный масштаб вихрей и вихревую энергию.За характерный масштаб вихрей принимается верхний предел размеров турбулентных вихрей подсеточного масштаба. Кинетическая вихревая энергия рассчитывается путем интегрирования энергетического спектра по интервалу волновых чисел, приходящихся на вихревые движения. В

работе по данным учащенного ( через 2 часа) радиозондирования произведена оценка частот и волновых чисел, для которых выполнялись соответствующие законы распределения. С помощью теории подобия и размерностей получены выражения для спектральной плотности. Показано, что одним из основных параметров, определяющих характер энергетического взаимодействия возмущений различных масштабов, является вертикальная составляющая вихря скорости (завихренность). С другой стороны, в синоптической и мезомас-штабной областях спектра необходимо учесть затраты энергии на преодоление турбулентной вязкости. Вторым определяющим параметром энергетического взаимодействия выбрана скорость трансформации энергии осредненного движения в энергию турбулентных вихрей. С помощью полученных соотношений для спектральной плотности выписаны выражения для зависимости коэффициента макротурбулентности от волнового числа. В работе сопоставлены три методики расчета коэффициента турбулентности : методика Смагоринского

=0.40IDI'L4 , методика Лийса Ki =0.401 Ьа, методика ав-

тора =0.1 el-O^I'l/. Здесь L имеет смысл минимальной длины волны, описываемой явно при моделировании крупномасштабных атмосферных процессов, |D I - модуль деформации скорости в горизонтальной плоскости, IV-Qa I- модуль горизонтального градиента завихренности, I Dt | -модуль завихренности.

В п. 4.2 приведены результаты расчета коэффициентов макро-турбулентного обмена по данным ПГЭП. Сопоставлены значения К$ , вычисленные с помощью трех методик по осредненным для северного полушария ( 5°- 85°с.ш.) значениям внешних параметров. Получено, что величинц Htc?. и A¡3c/i. близки между собой, а ¡¿е. ср.. _ в 4 - 5 раз больше. Для вертикального распределения Hs 41. в летний и зимний периоды характерен рост до поверхности 300 rila, где величины ttic/i. достигали 2-Ю - 3-Ю6 м2/с, Кг, у» _ 8-Ю6 -Ю^ «2/с, Кзср. - 22,5-10^ м2/с. Проанализировано распределение Ais по северному полушарию для периодов специальных наблюдений ПГЭП. Оценены экстремальные, средние величины Hs и их изменчивость на шаге сетки для субтропического (5°- 30°), среднеширотного (31°- 60°) и приполярного (61°- 85°) широтных поясов. Ка поверхности 300 гПа максимальные значения Ht и Ü¡ в субтропическом поясе 2-10 м^/с, Из, - 10® м^/с, в средних широтах - I,5-10^ м^/с и 8-10^ м^/с, в приполярном поясе -

V 2 7 2 г

0.4-10 м /с и 10 м /с. Рассчитанные модули разностей оМ; в

соседних узлах регулярной сетки сопоставимы со значениями . Проведен анализ закономерностей структуры полей в зависимости от распределения геопотенциала, характера термической адвекции, наличия струйных течений. Области больших значений , как правило, располагались в циклонической части ВЬЗ. Пространственно-временная изменчивость К$ тесно связана с эволюцией и перемещением 1ЙЗ, особенно в средних широтах.

В п. 4.3 по данным ПГЭП рассчитаны величины скорости взаимного превращения кинетической энергии среднего и пульсационного движений. При этом в качестве оператора осреднения было выбрано осреднение по широтному кругу. В этом случае рассчитанная скорость взаимного превращения средней и вихревой энергий обусловлена стационарными и нестационарными возмущениями. Сделано предположение о том, что осредненный перенос импульса за счет обоих видов возмущений пропорционален тензору деформации осреднениях по широтам составляющих скорости. Коэффициент пропорциональности можно интерпретировать как коэффициент энергообмена между зональным и вихревым потоками. Этот коэффициент энергообмена может принимать положительные и отрицательные значения. Наиболее часто явление отрицательной вязкости проявлялось в широтном поясе от 30° до 75° с.ш., где отмечалось чередование зон положительных и отрицательных значений . Эта закономерность проявлялась в тропосфере и нижней стратосфере и, повидимому, связана с процессами цикло- и антициклогенеза. В средних широтах в пределах зоны одного знака значения Нц по модулю мецрпись от Ю до Ю9 м2/с. Эти оценки превышали значения, полученные другими авторами, которые при расчетах использовали значения составляющих геострофического ветра и временное осреднение. В целом, передача кинетической энергии вихревыми возмущениями зональному потоку подтверждена по данным ПГЭП, полученным по достаточно плотной сети наблюдений.

Глава 5«Усовершенствование методов описания турбулентного обмена в численных схемах гидродинамического прогноза полей метеорологических величин" посвящена результатам испытания методики параметризации эффектов ПСА в численных схемах гидродинамического прогноза Гидрометцентра СССР и Среднеазиатского научно-исследовательского института (САНИИ).

В п. 5.1 изложена методика учета эффектов пограничного мак-ротурбулентного обмена в неадиабатическо{1 полусферной модели прогноза. Сформулированы основные преимущества усовершенствованной методики по сравнению с первоначальным вариантом параметризации эффектов ПСА.

В п. 5.2 приведены результаты численного прогноза барического поля о использованием двух вариантов неадиабатической полусферной модели прогноза. Для оценки успешности численных прогнозов барических полтЯ была рассчитана серия прогнозов с исходными данными из архивов ПГЭП за январь и июнь 1979 г. Качество прогнозов оценивалось по относительной ошибке Е и коэффициенту корреляции R . Средние величины для серии из 16 прогнозов на изобарических_ поверхностях 1000 и 50_0 гПа составили при прогнозе на 24 часа Ё.... =0.76,_£«»о =0.68, =0.67, £*><> =0.76, на 72_часа - Ёюо0 =0.85, К«». =0.62, fs» »=0.80, К »о = 0.72. Величины Б соо и Е для прогноза с заблаговременностью 72 часа уменьшились на 0.02 и 0.10, а #«оо и - на 0.01 и 0.02 за счет усовершенствования методики учета эффектов ПСА. Преимущества усопершенствованного варианта четко прослеживались в конкретных синоптических ситуациях, особенно в прогнозе положения центров барических образований и давления в них. Во всех рассмотренг-ных случаях усовершенствованный вариант прогноза давал лучшее согласование с фактическими полями геопотенциала. Проведенное сопоставление прогностических и фактических полей показало, что использование новой методики параметризации в схеме ГМЦ СССР позволило точнее предсказать интенсивность барических образований, а также процессы их усиления и разрушения. Кроме традиционных прогностических переменных в схеме ГМЦ СССР рассчитывались прогностические поля динамической скорости, приземного потока тепла, угла отклонения приземного ветра от геострофического и высоты ПСА. Интегральные характеристики ПСл, рассчитанные по фактической и прогностической информациям, достаточно близки по величине и пространственному распределении.

Улучшение качества оперативных прогнозов за счет включения разработанной методики параметризации эффектов ПСА было получено также по численной схеме регионального прогноза САНИИ. В данной схеме последовательно учитывались эффекты ПСА над однородными и орографическими поверхностями, а также эффекты круп-

номасштабной и подсеточной орографии. Без учета перечисленных факторов оценки прогноза приземного давления на 24 часа по-численной схеме с шагом 200 км составили по коэффициенту корреляции 0.59 и по относительной ошибке 0.97. Учет динамического влияния крупномасштабной орографии путем задания условия п вертикальных стенок" увеличил коэффициент корреляции до 0.70 и уменьшил относительную ошибку до 0.78. Совместный учет орографии и эффектов ПСЛ по разработанной методике привел к увеличению коэффициента корреляции до 0.74 и уменьшению относительной ошибки до 0.73. Следует также отметить, что разработанная методика параметризации использована для расчета начального приземного ветра в численной схем^ САНШ. С января 1900 г схема регионального прогноза СА11ИИ внедрена п оперативную практику ГМЦ УзУГКС.

В п. 5.3 представлен метод прогноза температуры и ветра в нижнем километровом слое на основе разработанной модели ПСА. Прогноз температуры осуществлялся в два этапа: прогноз приземной температуры Тг, ( 2 = 2 м) с помощью уравнения притока тепла и восстановление вертикального профиля температуры по Тг, и перепаду ¿T = Т(х) "Т&, рассчитанному по модели ПСА. Интегрированием по времени уравнения притока тепла определялось фоновое прогностическое значение Tz (t, в которое затем вводилась •• ло-локальная" nonpar на на тепловое и динамическое взаимодействие подстилающей поверхности с натекающим потоком. Сравнение прогностических полей приземной температуры, рассчитанных по усовершенствованному и первоначальному вариантам, показало значительное улучшение качества прогноза, особенно минимальных температур и горизонтальных градиентов температуры. В период 1983 -1989 г г. были выполнены расчеты характеристик ПСА на основе прогностической информации дня 30 случаев различных синоптических ситуаций. Производилось сопоставление результатов расчета интегральных характеристик ПСА, вертикальных профилей метеовеличин и характеристик турбулентности по данным прогнопа3объектив-ного анализа в начальный и в конечный сроки. Сшибка в воспроизведении интегральных параметров ПСА не превышала 25 % самих величии. Смибка в прогнозе скорости ветра порядка 3м/с не превосходила погрешности в прогнозе геострофического ветра, а различия между прогностическими и фактическими значениями температуры лежали в пределах 1-2°. Анализ выполненных расчетов показал.

что использование разработанной модели ПСА позволяет существенно расширить объем выходной прогностической информации, необходимой для метеорологического обслуживания, осуществляемого гидрометеорологическими центрами.

В главе 6 иПрикладные задачи теории пограничного слоя атмосферы" на основе разработанной модели ПСА было осуществлено решение широкого круга прикладных задач.

В п.6.1 приведены результаты расчетов вертикальных движений на верхней границе ПСА и в свободной атмосфере. Получено выражение для вертикальных движений на верхней границе ПСА в виде суммы вертикальных движений, обусловленных завихренностью вектора приземного турбулентного напряжения ( фрикционные вертикальные движения, ФВД), завихренностью вектора ускорения и изменением параметра Кориолиса с широтой. В работе рассчитаны значения ФВД путем использования методики параметризации для определения составляющих вектора приземного турбулентного напряжения. Расчеты произведены для периодов специальных наблюдений ПГЭП по Европейской территории СССР. Рассчитанные по предложенной методике ФВД давали достаточно сложную картину распределения, в частности, в передней части циклона отмечались восходящие, а в тыловой - нисходящие движения. Об асимметричности распределения ФВД по отношению к центру циклона можно также судить по полю осадков. По методике ПСА ФВД в зимний период не превышали 100 гПа/12ч, а в летний - 50 гПа/12 ч. В зимний период отмечалась значительно большая изменчивость ФДЦ, в пределах одной циклонической области чередовались восходящие и нисходящие движения. Вертикальные движения на верхней границе ПСА были также рассчитаны по данным оперативного объективного анализа Гидрометцентра СССР для двух районов ( 25°- 35°с.ш., 35°- 65°в.д. и 50°-75°с.ш., 55°- 90°в.д.). За период с ноября 1986г по март 1987г были отобраны четыре естественных синоптических периода с четко выраженным цикло- и антициклогенезом. Показано, что в начале е.с.п. при достаточно размытом барическом поле значения ФВД составляли +.20 гПа/12ч, затем в области интенсивного роста давления отмечалось резкое усиление нисходящих ФВД до 100гПа/12ч, наибольшие значения восходящих ФЦЦ были получены в районах волновых возмущений на полярном фронте (порядка - 60 гПа/12ч).Для первой половины е.с.п. характерна большая временная изменчи-

вость ФЦЦ, вплоть до смени знака в одном и том же узле через 12 часов, второй половине е.с.п. присуща временная устойчивость и)ВД, когда отмечалось сохранение очагоп одного знака в течение 48 часов. Получены предельные значения ч)ЦЦ для различных дефицитов точки росы, позполяющие оценить тип погоды - ..осадки", иполная облачность", „неполная облачность" и ..ясно".

По данным 11ГЭП были рассчитаны вертикальные движения в свободной атмосфере путем решения омега-уравнения, в котором в явном виде учтены эффекты адвекции абсолютной завихренности и температуры, агеострофичности, обусловленной горизонтальной неоднородностью поля ветра, макротурбулентного обмена. ЭДфект ПСА включен пу-.ем задания вертикальных движений на верхней границе ПСА г качестве нижнего граничного условия. Количественные оценки вертикальных движений в свободной атмосфере показали, чте их экстремальные значения достигали ± 300 гПа/12ч. В областях интенсивных восходящих движений, как правило, наблюдалась сплошная облачность, а нисходящих - безоблачное небо либо не более 5 баллов облачности. В найденных ил омега-уравнения вертикальных движениях четко проявлялся максимум вблизи поверхности 500 гПа. В то же время при вычислении вертикальных движений из уравнения неразрывности эта физически обоснованная закономерность во многих случаях не подтверждалась. Рассчитанные по данным ПГЭП величины фактических тенденций температуры за 12 часов сопоставлялись с полученными по величинам адвективного и конвективного переноса температуры.Анализ полученных результатов показал, что если вертикальные движения рассчитаны из омега-уравнения, то знаки фактических и рассчитанньзс тенденций совпали в 97 % случаев, а если из уравнения неразрывности - лишь в 70 % случаев. Численные эксперименты по оценке вклада различных физических факторов в величину вертикальных движений показали, что учет только адвекции завихренности дал вклад порядка 40 - 60 %, добавление термической адвекции увеличивало этот вклад до 60-80 %, вклад эффектов агеострофичности и макротурбулентного обмена -порядка 10 - 20 %. Анализ полученных результатов свидетельствует о необходимости учета всех перечисленных физических факторов при вычислении вертикальных движений.

В п.6.2 на базе модели ПСА разработан метод восстановления гертиканьных профилей петра по данным наблюдений сетевых кетео-

рологических станций. Основа метода - типовые безразмерные вертикальные профили для различных определенных по наземным измерениям категорий устойчивости. Для разработки метода были привлечены данные метеостанции и высотной мачты пункта Обнинск, а также четырех окружающих пунктов радиозондирования (Долгопрудный, Сухиничи, Рязань и Смоленск). Типовые безразмерные профили ветра, интенсивности и коэффициента турбулентности были рассчитаны для 7 категорий устойчивости, охватывающих широкий спектр скоростей ветра и стратификаций. Для перехода к размерным профилям необходимые значения динамической скорости пересчитыба-лись по скорости приземного ветра с поправками на стратификацию, определенными по функциям Еюзингера для каждого класса устойчивости.В среднем погрешность восстановления скорости ветра в приземном подслое составляла 1,5 м/с., а в пограничном слое -2 м/с.Проведенные испытания показали применимость предложенного ме^да восстановления вертикальных профилей ветра по наземной информации (с различными вариантами в зависимости от исходной информации) при оперативном метеорологическом обеспечении.

В п.6.3 задача восстановления вертикальных профилей иетео-величин и параметров турбулентности решена для пограничного слоя атмосферы, сформированного над крупным городом с многоэтажной застройкой, лесопарками, сложной системой магистралей и площадей. Были использованы два подхода. В первом подходе городской массив разбивался на отдельные микрорайоны, в центре каждого расположена метеостанция, поставляющая сведения о температуре, направлении и скорости ветра, типичные для данного микрорайона. По характеру застройки оценена шероховатость. Количественные характеристики ПСА оценивались для каждой вертикали, проходящей через центр микрорайона с помощью одномерной модели и соответствующих входных параметров. Количественная оценка параметров ПСА над городской застройкой с помощью разработанной модели ПСА была произведена для г Москвы при анализе 15 случаев наблюдений степени загрязнения воздушного бассейна с помощью искусственного спутника Земли. В городских районах четко проявлялось уменьшение степени устойчивости термической стратификации и скорости приземного ветра. Как правило, отмечался рост к центру города величин турбулентного потока тепла, динамической скорости, максимального коэффициента турбулентности. Наиболее

показательным оказался максимальный коэффициент турбулентности, значения которого в центральной части города достигали 30 м2/с, для наветренной станции- 12 м2/с, для подветренной- 20 м2/с. Во втором подходе количественное описание ПСА над городской застройкой осуществлено путем решения нестационарной трехмерной задачи. Использованы эволюционные уравнения для составляющих скорости, потенциальной температуры, кинетической энергии турбулентности, скорости её диссипации, диагностические уравнения статики, неразрывности и соотношение Колмогорова. В качестве дополнительной информации задано распределение температуры на уровне 2 м. На верхней границе заданы метеорологические величины и малые значения параметров турбулентности. Использовалась полунеявная схема интегрирования по времени и решалась задача на стационирование. Для решения сконструированной системы применялся потоковый вариант методов матричной и обыкновенной прогонки, позволяющий наряду с искомыми функциями рассчитывать их вертикальные турбулентные потоки без потери точности. Город представлен областью 40x40 км2 в центре региона 100x140 км2, шаг по пространству 10 км, по времени -60 с. В «городских" узлах регулярной сетки шероховатость 1,2 м и 2,2 м (»остров шероховатости"), в пригородных - 0,2 м. На уровне 2 м температура в городе на 3 К выше, чем в пригороде. Верхняя граница расчетной области - изобарическая поверхность 850 гПа, на которой задается ведущий поток (20 м/с и 10 м/с) и постоянное значение температуры. В качестве иллюстрации приведены характеристики ПСА при скорости ведущего потока 20 м/с и городской шероховатости 1,2 м. Распределение динамической скорости, в основном, определялось воздействием «острова шероховатости", дополнительное влияние «острова тепла" привело к'увеличению ¿/» примерно на 20 %, в наибольшей степени в наветренной части города, где величина !/« достигала значений 0.85 м/с. По мере перехода в подветренную часть значение 1/* уменьшилось до 0.62 м/с. Горизонтальное распределение приземного турбулентного потока тепла практически такое же, как при воздействии только «острова тепла"-в наветренной части города при адвекции холода отмечались положительные 00 порядка 15 Вт/м2, а в подветренной части при адвекции тепла - отрицательные С50 порядка -10 Вт/м2. Эффект замедления воздушного потока сохранялся как и в случае «острова шероховатости", однако, минимум скорости смещался в подветренную

часть города.При воздействии только ..острова шероховатости" максимальное замедление приходилось на центр города и составило 3 м/с. При воздействии только ..острова тепла" воздушный поток, переходя на ..остров тепла", увеличивал свою скорость примерно на 1.0 м/с, затем, перевалив на поДветреннув сторону> уменьшал её примерно на тзкую же величину. Распределение коэффициента турбулентности симметрично относительно центра города, где И(г) достигал на высоте примерно 200 м максимального значения порядка 20 м^/с, что вдвое больше И^хв наветренной пригородной зоне. Динамическое и термическое воздействие города проявлялось в профиле ветра вплоть до высот, больших 1000 м, где на интенсивность турбулентного перемешивания городская застройка уже не оказывала влияния. Полученное в численных экспериментах отношение скоростей ветра в городе и пригороде близко к экспериментальным данным. Полученные результаты расчета вертикальных профилей ветра и коэффициента турбулейтности^спользованы в задаче моделирования рассеяния промышленных примесей в регионе г.Москвы.

В п. 6.4 сформулирован алгоритм и произведена количественная оценка параметров взаимодействующих пограничных слоев в океане и атмосфере на основе стандартной информации о метеорологических и гидрологических полях с использованием л 6 - £ " земыкания. Одной из основных проблем в задаче моделирования взаимодействующих океанского (ПС0) и атмосферного пограничных слоев является формулировка граничных условий на границе раздела. Для океана вблизи поверхности раздела принято С а для атмосферы

¿=эе2„ , где С - характерный масштаб вихрей, а к. - высота волн. Это предположение позволило получить граничное значение океанской диссипации. Из условия непрерывности турбулентных потоков импульса (с учетом расхода импульса на формирование волн на поверхности океана) и скоростей потоков получены соотношения для динамической скорости и угла отклонения в обеих средах вблизи поверхности раздела. Представляла интерес зависимость характеристик верхнего перемешанного слоя океана от высоты волн. При отсутствии волнения универсальные профили характеристик ПСА и ПС0 не отличались, т.к. в этом случае граничные условия для океанской и атмосферной задач одни и те же. С ростом высоты волн максимальная пеличина коэффициента турбулентности увеличивалась и переместись к поверхности. Была получена критическая величи-

на безразмерной высоты волны, начиная с которой максимальная величина коэффициента турбулентности приходилась на поверхность океана. Получено согласование рассчитанных и найденных экспериментально коэффициентов сопротивления. Совпала с экспериментальной и нелинейная зависимость динамической скорости от скорости приводного, ветра. Произведено уточнение рассмотренной постановка задачи описания взаимодействующих океанского и атмосферного пограничных слоев путем более корректного учета волнового слоя, в пределах которого колеблется свободная поверхность океана. В усовершенствованной постановке задачи на поверхности по величине атмосферной динамической скорости рассчитывался поток турбулентной кинетической энергии вглубь океана. Уточнена зависимость диссипации энергии вблизи поверхности раздела от атмосферной динамической скорости и высоты волны. Показано, что эффект обрушения волн существенно влиял на характеристики ПСО, резко увеличились величины интенсивности и коэффициента турбулентности, скорость диссипации турбулентной энергии в тепловую. В вертикальном профиле коэффициента турбулентности максимум отмечался на поверхности раздела. Получено, что скорость дрейфового течения убывала за счет обрушения волн и скачка импульса в пределах волнового слоя, так как при этом уменьшалась доля потока импульса, идущая на поддержание дрейфовых'Течений. Эффект обрушения волн при скорости геострофического ветра 20 м/с уменьшал поверхностные дрейфовые течения в 1.5 - 2.0 раза (от 12 см/с до 8 см/с), увеличивал угол между векторами приводного ветра и поверхностного течения (от 36° до 56°). Отметим, что рассчитанные в модели характеристики поверхностного слоя океана, в основном, согласованы с экспериментальными данными.

В заключении перечислены основные полученные результаты.

1. Разработана стационарная модель бароклинного стратифицированного ПСА с использованием .,К-теории" и »6 -5 "замыкания.

2. С помощью теории подобия в приземном подслое и решения замкнутой системы уравнений гидротермодинамики в свободном пограничном слое получены интегральные параметры, вертикальные профили метеопеличин и характеристик турбулентности для широкого Диапазона термодинамических условий.

•3. Разработана методика параметризации эффектов ПСА на основе аналитических выражений зависимостей внутренних интеграл:,-

них параметров от внешних. Эта методика использоиана в численных схемах гидродинамического прогноза.

4. На основе произведенной по данным полигонных и стандартных измерений верификации модели подтверждена её применимость для определения детальных вертикальных профилей метеопеличин и характеристик турбулентности в ПСА.

5. Существенно расширена количественная информация о диапазоне изменения, пространственном и временном распределении характеристик ПСА путем их расчета по данным ПГЭП, оперативного объективного анализа Гидрометцентра СССР, радиозондирования п. Долгопрудный и Воейково, высотной метеорологической мачты ИЭМ (Обнинск).

6. По данным ПГЭП сопоставлены методики расчета и выявлены закономерности пространственного распределения коэффициентов макротурбулентного обмена, подтвержден эффект "отрицательной вязкости".

7. Показано улучшение качества прогнозов за счет включения разработанной методики параметризации эффектов ПСА в схемы Гидрометцентра СССР и САНИИ, приведены результаты расчета прогностических вертикальных профилей метеовеличин и характеристик турбулентности по выходной информации численной схемы прогноза Гидрометцентра СССР.

8. Разработан метод и получены оценки вертикальных движений на верхней границе ПСА по полю приземных турбулентных напряжений, а в свободной атмосфере - путем решения омега-уравнения.

9. Решена задача о формировании ПСА над неоднородной подстилающей поверхностью с использованием замкнутой системы трехмерных уравнений гидротермодинамики и „ 6 - £ " замыкания. Оценено воздействие ..городских островов тепла и шероватости" на термический, циркуляционный режимы и турбулентный обмен в расчетной области игород—пригород .

10. Рассчитаны характеристики взаимодействующих океанского и атмосферного пограничных слоев с учетом расхода импульса на поддержание ветровых волн и эффекта их обрушения.

Таким образом, в диссертации разработано научное направление в проблеме моделирования структуры пограничного слоя атмосферы и решен цикл прикладных задач для обслуживания народного хозяйства и охраны окружающей среды.

Основные положения диссертации опубликованы в монографии к Моделирование пограничного слоя и макротурбулентного обмена в атмосфере".- Л., Гидрометеоиздат, 1990, 159 с. и в следующих статьях :

1. Метод расчета коэффициента макротурбулентного обмена в различных областях спектра атмосферных движений.-Изв.АН СССР,

Физика атмосферы и океана, 1972, т.8, № 3, с. 324-326.

2. Параметризация бароклинного пограничного слоя атмосферы." Труды Гидрометцентра СССР, 1976, вып.180, с.32-40 (в соавторстве с Тарнопольским А.Г.).

3. Параметризация пограничного слоя атмосферы при численном прогнозе метеоэлементов над северным полушарием.- Труды Гидрометцентра СССР, 1976, вып.180, с. 3-24 (в соавторстве с Л.В.Берковичем и др.).

4. Структура бароклинного планетарного слоя атмосферы.-Метеорология и гидрология, 1977, )'= 3, с. 25-31 (в соавторстве с А.Г. Тарнопольским).

5. Бароклинная модель пограничного слоя атмосферы с учетом вертикальных движений.- Труды Гидрометцентра СССР, 1978, вып. 212, с. 21-26.

6. Численный прогноз полей давления и геопотенциала для северного полушария с учетом баротропного пограничного слоя.-Метеорология и гидрология, 1979, № 8, с.16-23 (в соавторстве с Л.В. Еерковичем).

7. Вертикальные токи в тропосфере.- Метеорология и гидрология, 1979, 1'= 9, с. 34-43.

8. Усовершенствованная модель планетарного пограничного слоя атмосферы.- Метеорология и гидрология, 1979, № 10, с.12-22 (в соавторстве с А.Г. Тарнопольским).

9. Характеристики пограничного слоя атмосферы по данным метеорологической мачты.- Труды ИЭМ, 1979, вып.23 (88),

с. 39-77 (в соавторстве с Н.Л. Бызовой и др.).

10. Количественные характеристики бароклинного пограничного слоя.- Труды ИЭМ, 1979, вып.23 (88), с. 78-85 (в соавторстве с 0.Б, Шкляревич и др.).

11. Расчет характеристик пограничного слоя по данным аэросиноптической сети станций в районе г.Москвы.- Труды Гидрометцентра СССР, 1981, вып.238, с. 64-74 ( в соавторстве с В.М.Лосевым и др.).

12. Количественное описание приземного подслоя в модели планетарного пограничного слоя атмосферы.- Труды ЮМ, 1981, вып. 27 (100), с. 12-22 (в соавторстве с В.Н. Бондаренко).

13. 0 параметризации эффектов планетарного слоя атмосферы с помощью законов сопротивления на основе трехпараметрической модели турбулентности,- Труды ИЭМ, 1981, вып.27(100), с.29-35 (в соавторстве с С.Н., Степаненко).

14. Сопоставление результатов обобщения экспериментальных данных и расчетов по трехпараметрической модели планетарного пограничного слоя атмосферы.- Труды ГТО, 1983, вып.481, с.144-151 (в соавторстве с С.Н. Степаненко).

15. Учет бяроклинности в модели пограничного слоя.- Сб. научн.трудов ЛПИ (межвуз.) Физика пограничного слоя и её прикладные аспекты, 1984, с.59-63 (в соавторстве с С.Н.Степаненко).

16. Предварительные итоги классификации профилей ветра.-Труды ИЭМ, 1984, вып.33, с.36-46 (в соавторстве с Н.Л.Бызовой).

17. Классификация профилей вектора ветра в нижнем 300-метровом слое атмосферы.- Метеорология и гидрология, 1985, № 12, с.33-40 (в соавторство с Н.Л. Бызовой).

18. Моделирование взаимодействующих атмосферного и океанского пограничных слоев,- Метеорология и гидрология, 1984, № 5, с.48-56 (в соавторстве с А.Г. Тарнопольским).

19. Расчет интенсивности турбулентности и вертикального сдвига ветра на основе теоретической модели пограничного слоя атмосферы.- Труды Гидрометцентра СССР, 1985, вып.260, с.87-95 (в соавторстве с С.Н. Степаненко).

20. Типовые профили температуры и скорости ветра в нижнем 300-метровом слое атмосферы,- Обнинск: ВНИИГМИ-1ЩЦ, 1986, 84с.

21. Моделирование верхнего турбулентного слоя в океане.-Мор.гидрофиз.журн., 1986, )? I, с.17-23 (в соавторстве с А.Г. Тарнопольским и др.).

22. 0 возможной точности учета эффектов бароклинности при расчете профилей скорости ветра в ПСА,- Труды ГГ0, 1986, пыл. 504, с.25-40 (в соавторстве с С.Н. Степаненко и др.).

23. Закономерности турбулентного обмена в нижнем 300-метровом слое по данным высотной метеорологической мачты,- Труды ИЭМ, 1987, вып. 41(126), с.77-91 (в соавторстве с В.Н. Бондаренко и др.).

24. Метод расчета и количественные оценки параметров трехмерной структуры пограничного слоя атмосферы по данным ПГЭ11.-Метеорология и гидрология, 1987, № 9, й. 98-107 (в соавторстве с Л.В. Берковичем и др.).

25. Расчет вертикального профиля ветра в пограничном слое по наземным данным.- Метеорология и гидрология, 1987, ff> II,

с. 75-83, (в соавторство с Н.Л. Бызовой и др.).

26. Комплекс математических моделей атмосферного распределения и осаждения радионуклидов,- Труды Всесоюзной конференции' »Радиационные аспекты Чернобыльской аварии", 1988, с. 58- 64

(в соавторстве с В.А. Борзиловым и др.).

• 27. Моделирование крупномасштабных полей вертикальных движений и облачности по данным ПГЭП.- Труды II Всесоюзного симпозиума и Математическое моделирование атмосферной конвекции и искусственных воздействий на конвективные облака", 1989, с.92 -98 ( в соавторстве с Н.Э. Терещенко ).

28. Расчет вертикальных профилей метеорологических величин в пограничном слое по прогностической информации полусферной модели.- Метеорология и гидрология, 1989, № 12, с. 5-12 ( в соавторстве с Л.В. Берковичем и др.).

29. Приближенная оценка упорядоченных вертикальных движений над городской застройкой.- Метеорология и гидрология, 1990, )? 5, с. 55-60 (в соавторстве с О.Б. Наседкиной).

30. Характеристики пограничного слоя атмосферы в условиях большого города,- Метеорология и гидрология, 1990, ÍÍ 7, с. 5463 (в соавторстве с Н.В, Клепиковой и др.).

31. Statistical connection between temperature stratification, wind speed profiles and stability classes.- In¡ Eroc.Y/MO ccmf. on air polution and its application.Leningrad,USSR,19-24 May 1986. Technical document WMO/TD 1988, N187,p.1-8. ,'

32. ABL theoretioal model, diagnostic and forecasting quan-tutive characteristics of the boundary layer on FQQE data. InjKroo. Ш40 oonf.of air pollution and ite applioation.Leningrad,USSR,19-2* May 1986.Technical document ШО/îD, 1988, N187, p.217-227.

Ртп.ГГ0ЛЭ.11.90.3ак.613.Т.100.Бв5платно.