Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование атмосферного пограничного слоя над пересеченной местностью

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование атмосферного пограничного слоя над пересеченной местностью"

,0 п

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РСФСР ГО НАУКЕ И ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАННО Ленинградский гидрометеорологический институт

На правах рукописи УДК 551.510(072)

ВШИНГЕР Тамаш

МОДЕЛИРОВАНИЕ АТМООФЕРЮП) 1ЮГРАНИЧГОГО СЛОЯ НАД ПЕРЕСЕЧЕННОЙ МЕГШШГЬЮ

Специальность 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание степени кандидата физико-математических наук

Ленинград 1991 г.

Работа выполнена в Ленинградском гидрометеорологическом

институте.

Научный руководитель - доктор физико-математическич наук, доцент А.С.Гавридов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Борис 1Ъоргиевич Вагер; кандидат физико-математических наук, доцент Васильев Виктор Александрович

Ведущая организация - • Главная геофизическая обсерватория им ¿.И. Воейкова

Защита состоится "23" мая 1991 г. в час.

на заседании Специализированного совета Д063.19.02 при Ленинградском гидрометеорологическом институте.

Адрес института: 195196, Ленинград. Малоохтинский пр,,

Д.98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛГЖ.

Ученый секретарь Специализирован!— —-— доктор Физико-математических нау»

А.С.Гавридов

; I

*** • '

I ■ " I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРЖПЖА РАБОТЫ

•Я'-и.;. I

Исследование физических закономерностей атмосферного пограничного слой (АТС) чрезвычайно важно для практики, поскольку именно в нем происходит взаимодействие между атмосферой и подстилающей поверхностью. Этот елей является ареной деятельности человека и здесь же находится большинство источников загрязнения. Динамическое и климатологическое описания процессов в АГО помогают решать различные практические проблемы в области охраны атмосферы, авиационной метеорологии, агрометеорологии, а также в прогнозе погоды и климата.

Исходя из достижений венгерской метеорологии и советской школы моделирования АПС в диссертации исследуются процессы в атмосферном пограничном слое над пересеченной местностью. Привлечение имеющегося архива данных рельефа страны дает возможность для построения численной модели АШ с весьма детальной параметризацией влияния микрорельефа поверхности на структуру атмосферы. Создание численной модели такого рода над местностью со сложной орографией ставит ряд проблем, подходы к решению которых и надши отражение в работе.

Диссертационная работа отражает, в целом, процесс построения двумерной численной модели А1Ю над территорией Венгрии. Однако отдельные главы являются самостоятельными по характеру и содержат ряд научных результатов, которые примыкают к исследованиям кафедры Метеорологии Университета им. Этвеша Лоранда и международным программам Комиссии Многостороннего Сотрудничества Академий Наук Центральной и Восточной Европы.

Актуальность темы.

Влияние неровностей земной поверхности на динамику турбулентного потока чрезвычайно многообразно и может быть учтено в численных моделях лишь с очень большой степенью приближения . Для точкой параметризации турбулентности необходимо определить характеристики подстилающей поверхности (среднюю высоту, параметр шероховатости, высоту вытеснения и т.д.) и

выбрать оптимальные типы универсальных функций теории подобия при параметризации приземного слоя.

Достаточно ясная теория пограничного слоя в современной; гидродинамике имеется только для течений. над гладкой поверхностью. Если говорить о реальном ландшафта. то многообразие и сложность процессов, происходящих в естественных шероховатых слоях, приводят, как правило, к ккого-параметрическим задачам, что существенно затрудняет теоретический анализ. Именно по этим причинам проблема физико-математического описания турбулентного потока над рельефом сложной структуры не нашла до последнего времени должного разрешения.

Цель и задачи работы.

Целью работы является построение достаточно полной и физически содержательной модели А1Ю. пригодной для решения разнообразных прикладных задач физики атмосферного пограничного слоя над подстилающей поверхностью Венгрии, обладающей, как известно, весьма сложной структурой. Для этой цели экспериментально исследуются процессы в приземном слое атмосферы, изучаются особенности параметризации подсеточной турбулентности и характеристик подстилающей поверхности Венгрии.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:

выбрать оптимальные аппроксимации универсальных функций теории подобия приземного слоя, исследовать временную изменчивость параметра шероховатости на основе накопленных рядов градиентных измерений:

- на базе полной системы уравнений АПС построить одномерную модель для исследования суточного хода АПС с целью оценки влияния параметров микрорельефа поверхности и уровня шероховатости на структуру АПС;

- исследовать пространственную изменчивость и провести спектральный анализ характеристик подстилающей поверхности на основе базы данных рельефа Венгрии.

- построить двухмерную численную модель АБС над пересеченной местностью Венгрии и проанализировать, особенности полей скорости ветра и турбулентности при различных условиях.

Научная новизна.

В работе впервые предложен и апробирован на численной модели способ параметризации рельефа сложной структуры с использованием понятия "функции пористости", а также проведен статистический анализ структуры микрорельефа Венгрии и рассчитаны все необходимые для подобной параметризации параметры.

Практическая ценность работы.

Практическое значение выполненной диссертационной работы заключается в использовании разработанных в ней методов для решения разнообразных прикладных задач, связанных с расчетом структуры атмосферного пограничного слоя над пересеченной местностью в общем случае и над поверхностью Венгрии в частности.

Диссертация тесно связана с научной программой Комиссии Многостороннего Сотрудничества Академий Наук в рамках программы КАПГ по теме исследований процессов пограничного слоя атмосферы.

Метод вычисления турбулентных потоков и коэффициента турбулентности приземного слоя использован в венгерской подпрограмме БИАТЕКС в рамках программы сотрудничества европейских стран ЕУРЕКД.

Для исследования процессов приземного слоя и проверки модели АПС создан архив данных градиентных и аэрологических измерений при поддержке Комиссии Технического Развития Венгрии.

Полученные результаты диссертации используются в учебном процессе при подготовке метеорологов в Университете им. Этвеиа ЛЬранда в Будапеште.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на XIX Конференции КАПГ. по исследованию пограничного слоя атмосферы <ЩР. Найбранденбург, 1987). Научных днях метеорологии АН ВНР по теме математических методов в метеорологии (ВНР, Будапешт. 1988). XX Конференции КАПГ по проблемам -взаимосвязей гидрологического цикла и атмосферных процессов в условиях антропогенных взаимодействий (ВНР, Шопрон, 1989), II. Семинаре планетарного пограничного слоя по исследованию

■ -ч-

процессов приземного слоя (ВНР, Дебрецен, 1989), Конференции КАПГ по теме взаимосвязи между атмосферой и биосферой (Чехословакия. Прага, 1991), Научных семинарах ЛШИ и Кафедры Метеорологии Университета им. Эгвеша Лоранда (ВР).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ и. тезисов докладов. Перечень публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Вэ содержание изложено на 145 страницах, включает 48 рисунков и 6 таблиц. Библиография насчитывает 86 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работа, сформулированы цель и задачи исследования. Рассмотрены научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложено содержание и приведены основные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена описанию полной системы уравнений гидротермодинамики АПС в криволинейной системе координат (х, у. над пересеченной местностью, где лм = г - Ых.у) и 0(х,у) - высота сглаженного рельефа. В работе использован метод замыкания на основе упрощенной системы уравнений для вторых одноточечных моментов турбулентных пульсаций. Параметризация приземного слоя производится на основе методов теории подобия.

В большинстве современных мезометеорологических моделей воздействие на турбулентный поток микронеоднородностей рельефа параметризуется с помощь» так называемого уровня шероховатости га. Введением эт :'о параметра можно ограничиться лишь при моделировании АШ над сравнительно однородной местностью. В условиях выраженной мелкомасштабной орографии ( холмы, овраги, крутые горы) имеет смысл воспользоваться существующими способами параметризации. основанными на использовании статистических характеристик микрорельефа поверхности и, прежде всего, так называемой "функцией пористости" Ж2,у,г„). определяющей долю

--Т-

пространства, свободную от препятствий. Подобный подход успешно зарекомендовал себя в задачах параметризац/и растительности и городской застройки (Попов, 1975; 1976: Воронов и Кригель, 1986).

Влияние описываемого эффекта приводит к появлению в уравнениях движения нового члена - силы взаимодействия потока с рельефом <?щ). Можно предположить, что эта сила будет прямо пропорциональна квадрату средней локальной скорости потока. С учетом пористости уравнении динамики атмосферы принимают следующую форму:

<3 ш г д%' 1

---Л--+ /(«-и ) ♦ Р С 9' и I и + ? , (1)

СИ I- дх 9 - -I и0 ,х

а Пи г 8%'

и Г---Ли-и ) - Р О в' I + I V * Р . (2)

I. яи Я У J и° *т

й % ду

д д д д д д

где Ъ = — О К — * — О Я — + -О Г - . (3)

ип дх "дх ду 1 ду дгп 1 дгм

Здесь и, V - компоненты скорости ветра: и , и - компоненты

. 9 Я

геострофического ветра в системе (я. у, я). 0,0- средний

* ж у

уклон рельефа в соответствующих направлениях, /-параметр Кориолиса. р - е/?о - параметр плавучести, в' - флуктуация потенциальной температуры,- %' - нормированная функция флуктуаций давления, О - поле пористости, К . К . К" -

X у I

коэффициенты турбулентности по осям х, у, гт . Компоненты силы сопротивления записываются в следующем виде:

Р - - Р и и , Р - - Р V и , (4)

■ х х К ау у К

где иь - модуль горизонтальной скорости ветра. Коэффициент аэродинамического сопротивления (?4 , I = х, у) задается в виде Р1 - сжог1 , где - коэффициент аэродинамического сопротивления единицы поверхности ландшафта , а .- удельная

г Ь

площадь поверхности препятствий в проекции на плоскость, перпендикулярную соответствующей оси координат (£= х, у).

В пор/стой среда также изменяется форма уравнений баланса энергии турбулентности. Предполагается, что генерируемая в результате действия силы сопротивления энергия турбулентности распределяется равномерно по всем направлениям. Уравнение баланса полной турбулентной энергии Ь2 можно записать при этом в следующем виде:

<3 гг ди г ди ^гт

--I ^-Яе + ХЩ + ПГ Г — I + Г — | + Р1и I'.

а г иВ * дг/ 1 дг/ ■» ь

<5>

Здесь Р - (.Iе + Р2 )1/2. Н - поток тепла, е - диссипация энергии турбулентности, В диссертации приводятся уравнения, также и для составляющих энергии турбулентности по всем трем осям.

Мезофлуюуации рельефа вносят определенные искажения в характерные масштабы турбулентных образований I и, следовательно. в вычисляемый тем или иным способом коэффициент турбулентного обмена. Принимая за основу широко известную гипотезу для этой величины Ямады и Меллора <1975). мы использовали следующее гипотетическое соотношение, учитывающее влияние на масштаб турбулентных неоднородностей мезо-флуктуаций рельефа высотой Я :

1 = 322

8

зе г

'♦г)

но

г - 0.1 Г / гЬ вг «■ с Я / Ь <3г ) / X Ь с2г . <6>

но И н м * J „

где Я - высота ДШ. ае - константа Кармана. Неизвестная" константа ся может быть выбрана в настоящее время лишь на основе численных экспериментов.

Таким образом, разработанные.к настоящему времени общие методы физико-математического описания структуры турбулентного потока над шероховатыми поверхностями могут быть обобщены и с успехом применены при построении мезометеороло-гической модели над подстилающей поверхностью достаточно сложной орографии, характерной, в частности, для Венгрии.

Во второй главе излагаются результаты экспериментальных исследований в приземном слое атмосферы, преследуюсь цель построения оптимальной схемы параметризации приземного слоя в численных моделях. После обсуждения основных выводов теории подобия Монина-Сйухова последовательно излагаются результаты обработки накопленных рядов градиентных измерений агрометеорологической обсерватории Сарваша (Венгрия).

Обработка, проверка и создание архива данных достаточно продолжительных во времени рядов градиентных измерений являются весьма актуальной проблемой для Венгрии. За последние годы благодаря также и усилиям автора здесь достигнуты некоторые успехи и созданы столь необходимые для исследования приземного слоя базы данных наблюдений.

В диссертации сделан сравнительный анализ 13 различных типов универсальных функций, использованных при расчете потоков импульса и тепла с заданием скорости ветра и температуры на двух уровнях (Ди. ДТ). Кроме того, исследована чувствительность величин турбулентных потоков к вариациям параметра шероховатости г0 и высоте вытеснения й.

Основываясь на результатах проведенного анализа, мы полагаем, что целесообразно пользоваться в дальнейшем универсальными функциями Гаврилова-Петрова (1981). совпадающими во многом с другими зависимостями, но имеющими в отличие от них правильные асимптотики при свободной конвекции и реальные величины потока импульса и тепла в широком диапазоне Ди и ДТ при устойчивой стратификации.

Путем обработки градиентных измерений агрометеорологической обсерватории Сарваша вычислены характерные величины параметра шероховатости над типичным сельскохозяйственным районом Венгрии и по имеющимся данным исследована его пространственная и временная изменчивость.

В третьей главе на основе системы уравнений первой главы рассматривается задача о формировании атмосферного пограничного слоя над горизонтально-однородной подстилающей поверхностью. При этом, очевидно, можно ограничиться построением одномерной модели АШ. Подобный упрощенный подход необходим для исследования чувствительности модели к основным параметрам, описывающим влияние поверхности на его структуру.

Используем для простоты форму записи системы уравнений АТС в л-системе координат (без ' учета среднего наклона рельефа). Аналогично, с целью упрощения уравнения притоков тепла и влажности используем в традиционной форме (без учета фазовых переходов и радиационного теплообмена).

Для численной реализации системы уравнений на ЭВМ использовано конечно-разностное представление типа известной схемы Кранка-Никольсона по времени и центральная конечно-разностная аппроксимация по пространству (здесь по оси г). Расчетная сетка модели принималась неравномерной, со сгущением внизу в диапазоне от г1 - 20 м до гп - 2000 м. а шаг по времени выбирался А{ - 600 с.

Традиционным способом экспериментальной проверки той или' иной модели атмосферного пограничного слоя является сопоставление расчетов с измерениями в международном эксперименте ВАНГАРА, проведенном в 1367 г. в Австралии. Созданная в Ленинградском гидрометеорологическом институте база данных эксперимента ВАНГАРА дает возможность для рассмотрения 38 суточ}шх прогнозов (от 0 ч до 24 ч). Из этих прогнозов для верификации модели выбраны 26 дней, в которых не прослех&юаются сильные влияния атмосферных фронтов или адвекции.

В процессе верификации оценивались средние, абсолютные и средне-квадратичные ошибки суточных прогнозов. Кроме того, оценивались значения параметра:

л

а (з) - - . (?)

0*(£)

определяющего в какой мере модель описывает временную, изменчивость той или иной метеорологической переменной (при аа=1 - идеальное описание). Здесь е и в - измеренные и вычисленные значения данного метеорологического элемента.

Из результатов. расчетов следует, что одномерная модель достаточно хорошо описывает временную изменчивость компонент скорости ветра практически во всем АШ (ав~ 60-80 %). В нижнем 300 м слое в большинстве случаев в модели получены величины горизонтальной скорости ветра меньшие, ' чем

-э-

измеренные, а в верхних слоях - большие. Средние ошибки потенциальной температуры находятся в интервале [-1 - 1 С°]. причем максимальные ошибки в нижнем 0.8 км слое не превышает 2 (Я. Таким образом, можно сделать вывод, что наша модель достаточно хорош описывает основные процессы в АПС, и это позволяет использовать ее в дальнейших исследованиях.

Влияние шероховатости подстилающей поверхности на структуру АГО проанализировано в данной работе путем сопоставления результатов численных экспериментов по прогнозу поля ветра за 32-й день работы экспедиции ВАНГАРА. проведенных :с заданием различных модельных значений уровня шероховатости zQ. Выбор именно этого дня определялся тем, что в этот период отмечалась типичная устойчивая антициклональная погода с минимальным влиянием .адвекции.

Как показали численные эксперименты при разных zQ. общая структура шля скорости ветра не изменяется, но величины горизонтальной скорости ветра в нижних слоях АШ несколько уменьшаются с повышёнием zQ. С ростом zQ увеличиваются энергия турбулентности, коэффициент турбулентности и высота АШ. Так например, при условии zQ - 1 см максимальная высота АБС была получена около 700 м. . а при zQ - 20 см -приблизительно 1200 м.

На следующем этапе проанализировано влияние на структуру АШ мезофлуктуаций рельефа, параметризация которых осуществлялась с использованием методов, изложенных в главе 1. Для этой цели местность предполагалась холмистой, с параметром микрошероховатости zQ - 10 см. Следует подчеркнуть, что реальная подстилающая поверхность в районе проведения эксперимента "ВАНГАРА" весьма однородна, и введете сюда рельефа типа холмов никакого отношения к месту проведения экспедиции не имеет и необходимо лишь для получения модельных оценок о влиянии типичного для Венгрии ландшафта на структуру АШ.

В соответствии с характерным масштабом мезофлуктуаций рельефа <ff •> холмистых и горных районов Венгрии выбрана высота H » 100 м. а форма холмов - пирамидальной, так что

я

вблизи поверхности параметр пористостости D принимался равным 0.5.

Из проведенных численных экспериментов прежде всего

-{О —

можно сделать вывод, что предложенный способ параметризации, весьма перспективен, и с его использованием могут быть получены вполне разумные результаты. Установлено, в частности, что при этом параметр ся в формуле для силы сопротивления рельефа (4) должен находиться в интервала [2-6], а параметр с для модификации масштаба турбулентных образований (6) - в интервале С1 - 3]. Более точные оценки этих параметров могут быть сделаны лишь путем проведения специальных натурных измерений.

Как в неустойчивой. так и при устойчивой стратификации максимальные величины энергии турбулентности (Ь2 > формируются в верхней части слоя мезофдукгтуаций поверхности (~ 100 м). Сопротивление рельефа уменьшает скорость ветра, поэтому потоки импульса и величина Ъ2 уменьшаются вблизи поверхности по сравнению с результатами расчетов без учета рельефа.

Четвертая глава посвящена определению параметров рельефа Венгрии с целью дальнейшего их использования в численных моделях. Эти исследования сделаны на основе массива данных рельефа Венгрии на машинном носителе (ДЧМ-ЮОО). содержащем сведения о типа и высоте поверхности с разрешением до одного километра (создан на основе карты Венгрии масштаба 1 : 10000). Характеристики поверхности каждой из площадок <1км х 1км) задаются в этом массиве с. помощью трех величин: максимальной высоты (г), разности . между максимальной и минимальной высотами и типа подстилающей поверхности по. девяти категориям (вода. поле. лес. деревня, город и т.д.).

Результаты определения характеристик подстилающей поверхности страны показаны на картах с осреднением по территориям (10 км х 10 км). При этом из основных характеристик подстилающей поверхности в диссертации подробно проанализированы следующие карты:

- средней высоты, среднеквадратического отклонения высот, средней разницы между максимальной и минимальной высотами:

- средних величин параметра шероховатости <г0) и высот вшеснения (й), а также их среднеквадратических отклонений.

На картах достаточно хорошо' выделяются равнинные, холмистые и горные территории Венгрии. Осреднение по площадкам <10 км х 10 км) позволяет выявить пространственную

-н-

изменчивостъ статистических характеристик мезофлуктуаций рельефа. Величины среднеквадратического отклонения высот над холмистыми местностями оказались в пределах 30 - 60 м. а в центрах горных массивов - порядка 100 - 150 м.

Наиболее важным результатом проведенного исследования является получение для всей территории Венгрии карты функции пористости, вычисляемой в данном случае по ячейкам (10 км х 10 км) при шаге расчетной сетки 1 км с помощью соотношения:

< 10 10

• Л- rigs s </>,, (8)

•. 1 j -1

при

{1, если О, если

.где 5 - средняя высота ячейки, - уровень над средней высотой ячейки, йз результатов видно, что в наибольшей степени величины D отклоняются от единицы над холмистыми и горными территориями, достигая в последнем случае 0.5 - 0.8.

Созданный банк данных предоставляет возможность и для более детального статистического описанния подстилающей поверхности с использованием, в частности, методов спектрального анализа. Для этой цели нами применялась процедура двумерного быстрого преобразования Фурье, реализованная на алгоритмическом языке "ÎOPEPAH".

Для определения спектральной плотности высот рельефа Венгрии были выбраны ячейки размером ~33 х 34 км (2s х 2® узла). Цзнтры отдельных ячеек выбирались таким образом, чтобы они совпадали- с центрами ячеек использованной ранее сетей, так что соседние ячейки частично перекрывали друг -друга. В связи с отсутствием в исходном массиве данных характеристик поверхности за пределами государственных границ Венгрии, в их окрестности рассчитать спектральную плотность было невозможно. Поскольку нас интересовал спектр мезофлуктуаций рельефа поверхности, первоначально рассчитывалось поле отклонений высот рельефа от текущих средних значений, полученных с использованием процедуры сглаживания. После определения поля

Z < Z+Z, .

" _ k (9)

z г. z*z, . > j k

мезоФлуктуация рельефа рассчитывалась их двухмерная периодограмма.

Из проведенного анализа следует, что уже первые пять гармоник из рассмотренных нескольких сотен, ранжированных по убыванию амплитуд, определяют для большинства районов Венгрии до 40 - 50 % общей дисперсии флуктуация рельефа. При этом наибольшие из них наблюдаются над центрами горных массивов и имеют характерные амплитуды в диапазоне 20 - 55 м., а длины волн - 20-34 км.

Самые интересные результаты получаются из анализа волновых векторов наиболее крупных гармоник, перпендикулярных, вообще говоря, к направлениям основных возвышенностей (хребтов) и низменностей (долин) холмистой или горной местности. Сравнение этих направлений для различных районов Венгрии с климатическими данными о направлениях наиболее вероятных местных ветров указывает, что примерно в 60 % случаев углы между этими двумя направлениями не превосходят 45°. Отсюда следует, что проведенный анализ рельефа поверхности вполне корректен и рассчитанные с его помощью параметры микрорельефа подстилающей поверхности могут закладываться в ту или иную численную модель.

Разработанная методика анализа структуры подстилающей поверхности страны, кроме того, позволяет решать целый ряд практических задач в прикладной климатологии, агрометеорологии и охране окружающей среды.

Пятая глава посвящена численному моделированию структуры АБС над пересеченной местностью Венгрии. Для этой цели построена двумерная модель АПС с использованием параметризации микрорельефа поверхности, описанная выше.

Динамическая часть используемой мезометеорологической модели в гидростатическом приближении включает систему дифференциальных уравнений для осреднеиной скорости турбулентного потока в пористой среде, записанных с использованием градиентной гипотезы (К-теории). Кроме того, в систему входят уравнения движения, уравнения притока тепла и массовой доли водяного пара в традиционной форме без учета фазовых переходов и радиационного теплообмена, уравнение неразрывности для пористой среды в приближении несжимаемой

- (з-

жидкости. а также уравнения баланса для составляющих энергии турбулентности и гипотеза Колмогорова для коэффициента турбулентности. Граничные условия ставятся на подстилающей поверхности и на верхней границе АШ.

Конечно-разностная схема системы уравнений реализована с помощью метода расщепления (Марчук.1988) по физическим процессам. В мезомотеорологической модели шаг по горизонтали принимается равным 10 км, а по вертикали используется 20 уровней от 5 до 1800 м со сгущением вблизи поверхности. Шаг по времени - 300 с.

Характеристики поверхности (средняя высота рельефа, поле параметра шероховатости и поле пористости) определены с использованием упомянутого выше массива данных о рельефе Венгрии. Параметризация приземного слоя базируется на теории подобия и осуществляется с помощью универсальных функций Гавридова и Петрова (1981).

Для проведения численных экспериментов был выбран разрез западно-восточного направления, проходящий через точку расположения атомной электростанции в Пакше и пересекающий наиболее интересные по структуре рельефа области Венгрии со средними' высотами от 90 до 220 м и характерными мезофлуктуациями рельефа порядка 30 - 50 м. В эксперименте использованы некоторые фиктивные начальные и стационарные граничные условия, допускающие формирование в итоге стационарного конвективного пограничного слоя атмосферы (скорость геострофического ветра - 8 м/с, начальный перегрев поверхности по отношению к атмосфере - 1°С)

Нас прежде всего интересовала структура горизонтальной и вертикальной скорости ветра, поля энергии турбулентности и коэффициента турбулентности. Результата показали, что скорость ветра в нижнем 100 м слое в значительной степени зависит от параметра шероховатости и мезофлуктуаций рельефа. Самые низкие величины наблюдались над холмистой местностью. В поле энергии турбулентности достаточно хорошо выделяются области над равниной (г0 ~ 2 - 3 см). холмистой равниной (с большими 20> и холмистыми местностями Дунантуля (с большими и мезофдостуациями рельефа). Максимальные значения энергии турбулентности зафиксированы на уровне средней высоты мезо-

- /у—

флуктуации рельефа.

Таким образом, на примере двумерной модели нами отработана общая схема включения в численную модель основных' параметров мезофлуктуаций конкретного рельефа Венгрии.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Построена полная система уравнения АШ над реальным рельефом в криволинейной системе координат с учетом поля пористости.

2. Исслетованы погрешности, возникающие при расчете характеристик турбулентности в приземном слое с. использованием различных параметризаций универсальных функций теории подобия Мони на-Обухова в приземном слое, и на этой основе выбран оптимальный способ его параметризации в численных моделях.

3. На основе градиентных измерений над различными типами поверхности проведен расчет уровня шероховатости и проведено исследование его зависимости от скорости трения, скорости ветра и особенностей рельефа.

4. Разработана численная модель АШ для исследования чувствительности решения к параметрам мезофлуктуаций рельефа И изучены особенности формирования пограничного слоя атмосферы при различных типах стратификации.

5. Создана база данных микрорельефа Венгрии, включающая комплекс программ для статистического анализа. На этой основе рассчитаны основные параметры рельефа для дальнейшего использования в численных моделях.

6. Впервые рассчитаны спектральные характеристики ландшафта Венгрии. Из анализа результатов следует, что над горными массивами наиболее типичные амплитуды колебаний микрорельефа составляют 25 - 55 м, над холмистыми территориями - 6 - 15 м, а ориентация волновых возмущений с самой большой амплитудой хорошо совпадает с направлением веп>а наибольшей климатической повторяемости.

7. Впервые с использованием разработанной схемы па. ¿метризации микрорельефа построена двумерная модель АШ над пересеченной местностью, которая после проведения ряда дополнительных исследований может найти широкое применение при создании разнообразных прикладных моделей атмосферы над

- ts-

территорией Венгрии для целей прогноза погоды и охраны окружающей среды.

Список основных работ по теме диссертации:

1. Weidinger Т. Some characteristics of the surface boundary layer on the basis of the tower observations near Szarvas (southern Hungary)// Idójárás.- 1986.- Vol. 90. No 5. 1986. - P. 266-281.- (In Huno.)

2. Weidinger T. Climatological and dynamical characteristics of the surface boundary layer on the basis of the tower observations near Szarvas: Diss...Ph. - D.. Budapest: Department of Meteorology, Eotvos University, . 1987a.-203 p.- (In Hung.)

3. Weidinger T. Néhány megjegyzés az érdességi nagasság meghatározásával Icapcsolatban (Некоторое замечание об определении параметра шероховатости.)//KészüIt az Ifjú meteoro iógusok szakmai fó ruma c. pályázatra.- OMSz kónyvtár. Budapest. 19876. - 30 p.- (Kézirat)

4. Weidinger T. Development of the research of the near-ground layer in the Hungary // Légkor.- 1988a.-Vol. ШШ. H 2.- P.19-22.- (In Hung.)

5. Вейдингер Т. Определение турбулентных характеристик приземного слоя на основе измерений на метеорологической мачте // Z. Meteorol.- 19886.- Band 38. Heft 4.- Р.246-252.

6. Weidinger Т. Analysis of roughness height using the measurement performed in the tower of Szarvas // Anna les Universitatis Scientiarum Budapestinensis de Rolando Eotvos Nominate. Sectio geophysica et meteorológica.- Budapest. 1989.- Tom. Ш-IV-V.- P. 121-138.

7. Ceresdi I.. Weidinger T. Numerical methods, applied for modelling atmospheric processes // IdSjárás.- 1989.- Vol. 93. No 2-3.- P.100-114.- (In Hung.)

8. Матьалювеки И.. Вейдингер Т. Спектры скороеiи ветра и характеристик турбулентности приземного слоя на основа данных метеорологической мачты в городе Сарваша // Тез. докл. Межд. симп. по проблемам взаимосвязей гидрологического цикла и атмосферных процессов в условиях антропогенных воздействий.-

-п-

Шопрон (ВНР), 1989. - С.30.

9. R&coczl F. A planetaris hatirrdteo (Планетарный пограничный слой) Az "Appendix" cimfl fejezetet irta Veldinger Т. (Автор главы "Аппендикс": Вейдингер Т.).- Budapest: Tankonyvlciad6. 1988.- 186 p.

10. Ракош Ф., Вейдингер Т. Анализ приближения профилей ветра с помощью степенных функций // Тез. докл. Межд. симп. КАПГ, работы по изучению атмосферного пограничного слоя в городских условиях загрязнения атмосферы.- Издательство Ереванского университета, 1988.- С.11-12.

П. Ракоци Ф.. Вейдингер Т. Анализ степенного закона профилей ветра в приземном слое // Тез. докл. Межд. симп. по проблемам взаимосвязей гидрологического цикла и атмосферных процессов в условиях антропогенных воздействий.- Шопрон (ВНР). 1989. - С. 29.

12. Вейдингер Т. Анализ характеристик приземного слоя над пересеченной местностью на основе градиентных измерений// Meteorological Notes of universities.- 1990.- No 1.- P. 35-56.- (In Huno.)

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано к печати 6.05.91г. s.195 т.ICO Бесплатно.

011РП вевЗапгидромех 23 линия дом 2-а