Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование атмосферных процессов в субтропической зоне

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование атмосферных процессов в субтропической зоне"

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

'Г6 од • 3 О-КТ 1981)

На правах рукописи

БУЗИАН АБДЕЛЬКРИМ

МОДЕЛИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В СУБТРОПИЧЕСКОЙ ЗОНЕ

11.00.09 — метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург— 1996

Работа выполнена на кафедре метеопрогнозов Российского Государственного Гидрометеорологического Института.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент Р. П. РЕПИНСКАЯ

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук А. С. ГАВРИЛОВ, кандидат физико-математических наук, доцент Э. Л. ПОДОЛЬСКАЯ

Ведущая организация — Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова.

Защита состоится 17 октября 1996 г. в часов на заседании Диссертационного Совета К063.19.01

Российского Государственного Гидрометеорологического Института.

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного Гидрометеорологического Института.

Автореферат разослан

кандидат

физико-математических наук,

донент ЕНИКЕЕВА В. Д.

Тип. ВАС. Зак. 70. Объем: 1 п. л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы • Теоретические исследования и накопленный мировой опыт в области гадродинамического моделирования атмосферных процессов и применение различных гидродинамических моделей для прогноза полей мэтеовеличид и явлений погода свидетельствуют о том, что в этих моделях должны учитываться региональные особенности физических процессов, включая процессы подсеточного масштаба. К ним относятся процессы влагообо-рота. эффекты, турбулентности и влияние орографических эффектов на параметризуемые процессы.

Главным вопросом при параметризации различных процессов подсеточного масштаба является их взаимосогласование и надежность в зависимости от выбранных фоновых моделей, систем координат, пространственных и временных шагов, и схемы численного интегрирования уравнений гидротермодинамики атмосферы.

Задача численного прогноза в субтропической зоне в целом и для территории Алжира в частности является весьма актуальной, так как эту территорию пересекают два горных массива, оставляя запад страны на подветренной стороне гор. В связи с западным атлантическим переносом, который является преобладающим при антициклонической циркуляции. происходит удаление воздуха от состояния насыщения, что приводит к резкому уменьшению количества облаков и осадков. Для учета эффектов влияния орографии в численных моделях часто прибегают к моделям в ст-системе координат и к моделям с гибридными вертикальными координатами. Однако, помимо их достоинств, в районах о крутым наклоном земной поверхности составляющие градиента давления и reo-

потенциала в уравнениях движения велики но модулю и противоположны по знаку, что приводит к неточности определения силы барического градиента- С технической точки зрения названные координатные системы нвллтсп громоздкими и требуют достаточно больших вычислительных ресурсов. Учет орографических эффектов в р-системе координат осуществляется с помощью метода орографического блокирования. Кроме его простоты и надежности, он исключает распространение орографических ошибок по вертикали модельной атмосферы.

Использование метода вложенных сеток теоретически оправдано: при атом удается осуществить локальное увеличение пространственного и временного разрешения модели. Однако за это приходится платить ос-тородашм подходом к постановке боковых граничных условий <ВГУ> и согласованием и стыковкой численного решения на обета сетках. Поэтому в работе уделено достаточное внимание этому вопросу, а также предусмотрена возможность использования в качестве фоновой сетки по всего полушария, а региональной части с такими же свойствами, как и полушарная сетка, и охватывающей главные барические образования, влияющие на формирование погоды Северной Африки.

Целью диссертации является разработка региональной модели на вложенной сетке на фоне полушарной и региональной модели для прогноза полей метеовеличин и исследовании ее чувствительности! к различным параметризациошшм подходам и к различным формам задания граничных

I

условий. При этом решаются следующие задачи.

1. На фоне полушарной модоли ГМЦ РФ разработать региональную модель и вложенную модель для краткосрочного прогноза метеовеличин в субтропической зоне на основе системы полных уравнений гидротермодинамики атмосферы.

2. Применение одностороннего и двустороннего взаимодействий для

постановки БГУ. способов их уточнения и подавления шумов в приграничных зонах.

з. разработка и сравнение различных способов интерполяции исход-них данных со стереографической на декяртову систему координат.

Учет влияния орографических эффектов и турбулентности и их совместное влияние на различило физические процессы путем орографического блокирования.

Сравнение различных способов параметризации процессов крупномасштабной конденсации с учетом влияния процессов испарения и орографии.

6. Корректировка метода параметризации кучевой конвекции по■Куо о учетом вовлечения, испарения и орографии.

7. Реализация и сравнение способов параметризации сухой конвекции с учетом орографии.

в. Апробация модели для прогноза метеовэличин на сроки более суток.

Методы исследования

При построении региональной модоли на вложенной сетке использовался метод численного решения системы полных уравнений гидротермодинамики в р-системо координат. Оценка полученных результатов проводилась с помощью 12 качественных и количественных статистических показателей качества прогноза.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- на Фоне полушарной модели ГМЦ РФ разработана и реализована региональная и вложенная модели по полным уравнениям в р-системе координат с целью прогноза метеовеличин для субтропической зоны, позволяющие учесть процессы подсеточного масштаба;

- разработаны различные способы задания БГУ для вложенной сотки:

- разработан метод интерполяции исходных полей метеовэличин и поля орографии<

- уточнены метод учета орографии и турбулентности и метод Куо при параметризации кучевой конвекция.

Теоретическая и практиче с к а я значим ос ть работы

Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы для усовершенствования оперативных моделей в р-системе координат и в региональных моделях для районов со сложной орографией, а тпкжа могут быть основой для построения модели общой циркуляции атмосферы.

На защиту выносятся:

- региональная и вложенная прогностические модели;

- методы учета турбулентности и орографических эффектов!

- метод параметризации процессов подсеточного масштаба и результаты статистической оценки их влияния.

Структура работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Во введении обоснованы актуальность работы, сформулирована ее

1

цель, методы исследования, научная новизна и основные ■ положения,

I

выносимые на защиту, теоретическая и практическая значимость, апробация работы и кратко изложено ее содержание. ! В первой главе изложена фоновая модель, приведена система полных

I

уравнений для модели на вложенной сетке, ее численное интегрирование и различные способы постановки БГУ-

Во второй главе предложены и реализованы различные способы интерполяции исходных полей метеовеличин и орографии. Третья глава посвящена оценке прогнозов на основе адиабатической

вложенной модели на фоне лолушарного и регионального прогнозов.

В четвертой главе рассматривается учет орографии и турбулентности в прогностической вложенной модели.

Пятая глава посвящена параметризации неадиабатических процессов и учету их влияния на прогноз метеовеличин.

В заключении сформулированы основные вывода работы-

Апробация работы

розультятн диссертационной работы докладывались на Итоговой сес-иен Ученого Совета РГГМИ в январе 1995 г. (тезисы доклада опубликованы) и на межкафодралыюм научном семинаре метеорологического ' факультета РГГМИ (май 1996 г.). Подготовлена научная статья и- принята к опубликованию редакцией журнала "Метеорология и гидрология".

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель, метода исследования, научная новизна и предает защиты, теоретическая и практическая значимость работы.

Б первой главе изложены структура и математический аппарат фоновой и вложенной моделей прогноза метеовеличин.

В разделе i.1 приводится обоснование выбора фоновой модели для учета особенностей краткосрочного прогноза в рассматриваемом регионе. где учет процессов подсеточного масштаба и процессов, связанных с влиянием рельефа, играют определяющую роль в формировании Погодин х условий. При этом по сравнению с моделями в о-системэ координат и с гибридными координатами и, несмотря на их достоинства, модели в р-систоме координат позволяют учесть эти особенности с помощью метода орографического блокирования, который позволяет исключить распространение орографических ошибок по вертикали.

В разделах 1.2 и i-з описана структура полушарной <ПС>, регио-

нальной <РС) и вложенной (ЕС) сеток с координатами (A¡a=o°A=oD. f<:а'0°а='?0ое,с:а=ос'а.=90м°.d:a=o°a.=iso°e) для пс. (a: :a=o°?w=oD,

B:a=20C\=45ED<C:a=20°A'--=A5wO.D:a=90°A='i5C'E) ДЛЯ ГС И (А: а=8°А=0°,

B:a=27oA.=36oE;.C:a=27DA=36ow,D:a=70oA.=0o). для ВС. Они представляют собой шахматные сетки с пространственными шагам;! ds=?oo км для ПС и PC. ds1 = 150 км для ВС, временные шаги ДТ=12 мин и ATj= <ь мин соответственно. Область расчета включает изобарические уровни 1000, bso. 700. 50и, 300 и 1u0 гПа.

При выборе расположения вложенной сетки было уделено вшшэние двум обстоятельствам:

- вложенная сотка дол:ша охватывать районы, где зарождаются барические образования, которые влияют на формирование погоды в Северной Arfpme (Азорский максимум, являющийся климатическим центром действия атмосферы; сезонный средиземноморский циклон; муссошше циркуляции!г

- границы вложенной сетки должны отстоять от границы ПС и РС на такое расстояние, чтобы воздушная масса, прошжающая в зону ВС за срок прогноза, приходила из регионов ПС или РС. а не извне. Вложенная сетка ВС была выбрана больше интересующей нас территории, чтобы

i

уменьшить влияние граничных условий на численное решепир. Число узлов. ДЛЯ КОТОРЫХ ПРОВОДИТСЯ ПРОГНОЗ. СОСТаВЛЯеТ N=1625 для ПС: N=221 ДЛЯ РС И N=841 ДЛЯ ВС.

В разделе 1.3.1 приведена система полных уравнений гидротермодинамики модольной атмосферы на вложенной сетко. Она имеет вид:

ви Su su ЗФ Su

- + m(u- + v— + —) + ц)— - гч = f + f ,

0t дх ду д* Sp u (к1)

ЙУ ¿V ЗУ ЗФ ^

— + гп си— + V— + —) + и— 1- /и = (- + Р , <1.2)

Зt дх Зу Зу Зр " у

Зи Зу Зш м

т (— + — ) — — О ,

дх Зу дг

Роо Роо

дФ ЗФ дФ г Зи дФ д\> ЗФ г р

— + т (и— + V—) - Г +1 (--+■--) ЧР - А. Ш с!Р

дь Ох ду ь -)р дР дх Зр 3У -)р

Роо

р

= | + РТ + ет>ОР, ' (1.4;

р ЗФ

Г; де

<Эя дц дц Зт ,

— + т < и— + V— ) + (0— = р + р + е . ,, , ^

д* д.* дv ЗР 4 4 4 (1-6)

(1.5)

где

г дФ с!Ф дФ -|

р е - + т<и— + V—) .. 0

3 д:с ду ^

Л. = — (Та - т> •

Р д

Члены рп- описывают вертикальные турбулентные притотси количества

движения по осям у. притоки ТОШМ И ШЮГ'Л-т

Члены ? - описывают притоки соответствующих величин, обусловленные горизонтальной подсеточной вихровой турбулентностью.

Уравнение <1.4> для геопотенциала получено путем преобразования уравнения притока тепла с помощью уравнения статики и интегрирова-

- 8 -

ния его по Р. Остальные обозначения общепринятые. Для расчета значения А.р используется стандартное распределение

температуры, а значение fs определяется с помощью нижнего граничного условия.

В разделе 1.3.2 рассматриваются начальные и граничные условия для ПС, где размещаются значения зависимых перемешшх на шести уровнях. Выше уровня зоо гПа атмосфера считается сухой. По значениям геопотенциала <£><x,y,p.t0> рассчитываются поля геострофического ветра. Вертикальная скорость вычисляется с помощью уравнения неразрывности. Прогностические значения температуры рассчитываются по значениям геопотенциала с помощью интерполяционного полинома Лагранжа. а приземное давление определяется по геопотенциалу поверхности юоо гПа.

Граничные условия по вертикали:

при Р = О : и = О: .

rtoo _

при Р=Роо: Fs = аооЫ00—-- + gWH + Гфоо (1.6)

Роо

Здесь: Рфоо- член, описывающий влияние турбулентности: ^-эмпирический коэффициент а/з s aQo< i>. На нижней границе атмосферы задаются потоки импульса, тепла и

I

влаги.

На боковых границах ПС ставятся условия вида: зф вц аи ev I

— = — = (— + —>| =0 . (1.7)

at Г et Г Ох эу |Г

В разделах 1.з.з - 1.3.6 рассматриваются способы задания граничных условий для ВС при одностороннем взаимодействии решений, где используются прогностические значения переменных в граничных узлах ПС. а также прогностические значения зависимых переменных в точках ВС, отстоящих от границы на один и дна шага. Срок прогноза 1 разделяется на несколько равных интервалов (Ла^,,- Прогностические значения переменных в моменты времени 1 и полученные

-

при: прогнозе по полусферкой модели я ^ >, интерполируется в гра личные узл! ВС и используются для формирования ГУ при прогнозе на молкой сетке на интервале времени от ^ до 12 При двухстороннем взаимодействии решения происходит еще уточнение прогностических значений переменных в узлах сетки ПС, совпадающих с узлам:! ВС. с учетом прогностических значений, полученных в узлах ВС. При этом граничные условия »{ормляются с учетом их стационарности Лт^дт^илп

нестационарности Дт:1= А'с/г^. целее число, поэтому ■ на п1-ом подынтервале ГУ имеют вид:

«р = Рр = (г - а )РГ + а Рг ) , (1.8)

а = -:--- , (п а) 1, 2.....N1).

л-с

Для исключения возможности неопределенности в задании ГУ и для учета оттока воздуха на границе ВС (при его наличии) граничшо условия (1. в; с помощью прогностических значений зависимых переменных в точках ВС, отстоящих от границы на один и два шага 1-е г_1', ^р.з*

1гтптггготт,г» СТ П -УГ\ТГО ГТГи-\Г,1ГГ\Оа сто г*тт»а по о тго Ат ТЛ". {'-.ПЛ ттт.т^п пап ( А т — Л<Т / и

^ I и илл^ди/» и ииии шии^имш 1Л i» ^ ¿¿ъ'ко 'и 1> ^ и " ^

причем степень этого учета можно регулировать через коэффициент ь (О < Ь < 1). ГУ примут ВИД:

£ = ЬР;:1 + (1 - ь)(2^:1 - р;?2> .

где П2 = 1, 2, ... , N2

Это условие используется для нормальной к границе компоненты скорости ветра и для других зависимых переменных. В модели применяются различные по степени процедуры сглаживания' с целью подавления вычислительных шумов в приграничных зонах ВО:

, Г-п 1 п' Г-п п Г-п'

где Сп- котМ'Ицнонт, опроделягаций степень сглаживания.

В раздело 1.3.7 рассматриваются конечно-разностныо аппроксимации системы уравнений модели, где применяются операторы осреднония и центральных разностей.

В разделе 1.з.а проводится численное интегрирование системы уравнений модели. Уравнения движения аппроксимируются в полунеявном виде. а кориолисовы члены задаются явно. В уравнениях для геопотенциала и массовой доли водяного пара применяются явные схемы центральных разностей, а с помощью уравнения неразрывности в конечно-разностной форме вертикальная скорость вычисляется по соотношению

-к

Шк = Шк+1 ~ ь (бР2\- • (1.11%

где

°к = ; < г'к + °к+1 > • вк = < + \ К •

Прогностическое значение температуры рассчитывается по формуле:

б

к'=1 К 11.12% где ак - известные элементы матрицы коэффициентов.

Приземное давление вычисляется таким образом:

Р5фоо

ре = —---= + 1000 (rila) , (1.13)

5 IOq

В гл. 2 рассматриваются различный метода интерполящш исходных полой метеовеличин и орогрофиш. Выбор'"лучшего подхода опредаля .тсн путем сравнештя прогностических шлей, полученных в ходо прогноза по соответствующим исходами полям.

В гл. з проводится oneima суточных прогнозов по разлнчнш моделям в .адиабатическом приближении. При этом используется ряд статистических показателей качества прогноза . например, средняя относительная ошибка (6), средняя квадратическая относительная ошибка (О), коэффициент корреляции между фактической и прогностичеокой изменчивоетлми tro и оправдаваомостъ знака изменчивости <£>. Здесь осуществлялись ерпвпешт прогнозов для нашей территории, получетшх по полушарной модели и по региональной модели, по вложенной модели при одпосторошюм взаимодействии ВГУ. Показано превосходство нестационарных БГУ над стационарными и подобраны komoíi-iianmi значений (At,Axt) в формуло а.в) и оптимальная степень

сглаживания в приграштошх зонах ВС, а также показана необходимость учета оттока массы на границах ВС при его наличии. Осуществлялся подбор времени корректировки < и ее степень <ь>. Показано, что применение двухстороннего взаимодействия для постановки ВГУ не привело к улучшению качества прогноза и требует более совершенного подхода. Также рассматриваются результаты прогноза на участке ВС на базе региональной модели и то, что он не уступает но статистическим показателям прогнозу на базе полушарной модели. Таблица з.i служит как иллюстрация всех этих экспериментов.

Таблице 3.1 Сроднив оценки суточных прогнозов р, н500 по неходким срокам ,21-VII (00 ч) - 25-у л (00 ч)

Величина б ' 0 р е Характеристики

р 1, 12 1,07 0, 40 ¿6 ИМ: n = 145

н500 1,40 1,00 0, 43 59

р 1, 00 0,99 0, 42 66 рм; n=145

н500 1,01 0,83 о, 59 •64

р 1,51 1,34 0 28 61 дт;=ла.=24ч;

н500 1.99 1,89 0 29 62 n=635

р 1,35 1 , 40 0 24 63 ла=4ч: Д11=2ч

и500 1,63 1,59 0 34 64

р 1.07 1,04 0 40 64 с =(0,6: 0,5;

нг,00 1,22 0.90 0 55 63 п 0,45; 0,15)

р 1,02 1,01 0 42 66 Да2=14; ь=0,5

н500 1. 15 0, 85 0 59 64 1

Глава 4 посвящена '^учету орографии и турбулентности ;в прогностической модели. В модели с Р-системой координат учет орографических эффектов в первую очередь заключается в уточнении нижнего граничного условия, что приводит к уточнению прогноза высот изобарических поверхностей. Однако орография одновременно оказывает влияние па формирование вертикальных движений и на другие метеоволичины на разных уровнях, особенно на скорость и направление ветра, что учитывается в методе орографического блокирования.

В разделе 4.2 рассматриваются:

а> уточнение нижнего граничного условия. При высоте рельефа гв появляется дополнительная вертикальная скорость ы

ар

вг_ эг_

"ор

= и -- + V ---, (4.1)

Ох ар

- 13 -

При атом появляется дополнительная тенденция гоопотенциэля ¿ф

ot

's ~ ^ор . <4.2)

О) Влиянио рельефа па формирование вертикальных движений учитывается с помощью ш-уравнония:

2 а2ш р о е2 Ч о

- + с "v (0 ----У--.

о от

г г

Решая это уравнение, получим:

и1<р> лог вертикальной скорости, рассчитанный с помощью уравнения неразрывности

= ш0р т<2р) . (4.3)

Здесь т<гр>- функция затухания монотонно убывает по высоте.

Уточнение вертикальной скорости в свободной атмосфере определяется так:

в> В следствие обтекания рельефа скорость и направление ветра ( V > претерпевают изменение

I V I = IV - W I ■ , (4.5)

1 51 1 s ор 1 '

»-, > »•

V а V + a„V_ , „ ,,

5 г г р Р , (4.6)

= sin -О' - в случае обтекания вокруг гор. = cos •О'- в случае переваливания через горы. Изменение направления ветра определяется рез угол М

дтЭ = -0' - , -о = < V " чг > . -в = < V )

5 S S 5

Ш(Р> = Ш. (Р) + Wg<P) . (4.4)

В случив переваливания через горц ДО определяется 1 +• л„ - '

АО - -----1- г - 13) , (4.7)

?#

При обтекании го[) Л О находится по формуле

АЛ + 6,,

ДА = 2---— % - О) , (4. В)

а

•пдо: ^ . б^ константы, определяемые по знаку аг и ЗКСИОрИМЭНТаЛЫШЙ КОЭффИЦИеНТ (С < а^ < 1)

И раздало 4.2 при параметризации турбулентности принимается К-те-орпя и теория пограничного слоя атмосферы (СПС). В отличие от модели ГШ! М'. учет влияния орографических эф1юктов осуществляется нутом коррекции коэффициента сопротивления в конечных формулах для турбулентных потоков импульса, тепла и влаги <а) на е<г5>

<1 - . е<гг> (4.9)

е<2в» - I +

где'.г^- высота рельефа; - эмпирическая константа.

В разделе 4.з рассматривается параметризация вертикалышх двжке-1Г.1йу обусловленных обтеканием рельефа, и турбулентности. Этот учет прилисываотс;! :с верхней границе 1ШС <ин>. Методы их расчета зависят от подхода к совместному учету орографических аффектов и приземного трения- Существуют два подхода совместного учета орографических аффектов и приземного трения.

Иорвий подход состоит в параметризации вертшеалышх движений с учетом обтекания рельефа и турбулентного трения (и(|>. Во втором подходе обтекание рельефа и турбулентное трение учитываются раздельно. При этом учет эф1ектов обтекания рельефа осуществляется ме-

тодом параметризации орографических вертикальных движений «т.е.

>. В первом подходе расчет усложняется. Способ вычисления и основан на использовании уравнения неразрывности и уравнения движения, которыо являются основными-уравнениями модели НПО. Для оцошот влияния турбулентного тренил модель П11С используется н стациопарном линейном и нелинейном вариантах. Для этих моделей НПО были использованы несколько способов расчета ии.

В разделе 4.4 проводятся численные экспоримонты по учоту влияния орографических эффектов на уточнение тшюго граничного уплоли.ч. осуществляется лучший подход к совместному учоту орографии и приземного троьия, при этом наилучшие результаты достигались при учото влияшш орографии па процессы турбулентного обмана импульсом и теплом в продолах ШС. Болео удачные результаты получаются при учето орографии но только для уточнения 1пггаего ГУ, я еще для уточнения вертикальной скорости и направле1шя ветра. При этом удается улучшить статистические показатели. Они составляют: 6 =1.оо; а =

1,и4, и = и, 50. £ = Ь7 дал р И б - 1.15, О = 0,03, К = и. Н'2,

6 - о4 для Н5СИ1.

В пятой главе рассматриваются методы параметризации неадиабатических процессов. таких, как крупномасштабная конденсация <КМЮ, влажная н сухая конвекция.

В разделе 5.1 предлагается параметризация КМК по методу функции конденсации и по методу иторации. При атом учитывается влияние орографических эффектов, а испарение учитывается с помощью метода Кесслера.

Проведенный анализ показал необходимость учета орографии. Превосходство метода функции конденсации над методом итерации объясняется тем, что главным моментом в нем является точность определения ос-

рэдцошюИ вертикальной скорости. Она уточняется с помощью формулы (ч.4). Учот орографии и испарения уточненяат вартикалыше профили распределения дт,дн,дс?, что приводит к улучшению качества прогноза.

В разделе 5.2 предлагается мэтод параметризации влажной конвекции. В отличие от метода Куо, где система уравнений, описывающих характеристики кучевого облака, определяется уравнением притока тепла, влажности и водности в облако, и в силу того, что при вовлечении воздуха в облаке насыщенность воздуха влагой в облаке сохраняется, то при учоте вовлечения система уравнений имеет вид:

АТ £ йа £

= **с +

(5. 1)

си йг ртс (5.2)

-- =--- - А, - ч + / ) , <5.3)

(12 й2

бт

* = \

т

е

(5.4)

где: Х- параметр вовлечения;/^- константа, определяющая стопепь вовлечешя; бт = тс - те,разность температур в облаке и в окружающей среде.

Большую роль играет способ определения площади, занятой облаками < а> В отличие от метода Куо, где а<р)=а0=со,чзт, ода постоянна

по высоте, площадь, занятая облаками а определяется таким образом: р

Г 15

1у

а<р> ~ а0 + [ ти<р><*р .. <5.5>

н 1иг

Здесь а0 - ——-л.щадь облака, возникающего с поверхности за

Л<2

испарения:

Индексы к и обозначают поверхность и нижнюю границу модели, а

— Г <р - п

д J > 'е

количество водяного пара, необходимое для возникновения облака:

Л<5 = - — [ - пе + гс) чр рн

Лх

<р>

йа(р) а ^(Уд)

р

йр Г в <ц - ч + I > ир

■> мс е с р

- изменение по высоте площади а «при конвергенции или дивергенции) .

В результате рассматриваются скорость нагревания, увлажнения и интенсивности осадков за счет влажной конвокции по формулам:

сра(р)

чт(р) = —^- [ тс<р). - тв«р) ] ,

а(р)

(5Ч(Р) = -^- С ас<Р> - че(р) ] •

1 гРв

Щ = - скр>*с<Р>*Р

рн

Результаты экспериментов показали, что учет вовлечения и испаре-шя осадков в ненасыщенных слоях воздуха улучшает статистические

показатели качества прогноза, при этом степень учета вовлечения определяет вертикальные профили распределения площади, занятой облаками а .разности температур Лт и водности облака г. Более ре- '"■ алыгая степень оказалась равной 5*/.. При этом учет испарения и орографии способствует уточнению расчета величин Дн и Да-

Раздел ь.з посвещается параметризации сухой конвекции по методу 01Ш и по методу Куо.

При неустойчивой стратификации ненасыщенного влажного воздуха возникает сухая конвекция (7 ^ 7 >. Конвективное приспособление приводит к нейтральпой сухоадиабатической стратификации (7 = 7а>. а кинетическая анергия конвективных вихрей превращается в тепло при сохранении суммы внутренней и потенциальной анергии. однако результаты применения метода сКП зависят от направления перебора слоев, в которых реализуется СКП и неустойчивость в одном слое может вызывать неустойчивость в соседних слоях.

При методе Куо в зоне сухой конвекции воздух обладает завышенной анергией по сравнению с окружающим за время т , она выражается таким образом:

ras бтс= тс - те разность температур внутри и вне зона сухой кошек

НИИ.

Это приводит к изменению стратификации воздуха в зоне сухой конвекции и к его нагреванию. Скорость нагревания рассчитывается по формуле¡

р.

(5.8)

д

Р,

Н

с

Т

е

в которой а - средняя площадь сухой конвекции.

Реализация этих двух методов показала, что метода CIÜI и Куо приводят к устранению неустойчивой стратификации, однако метод Куо приводит к изменению геонотенциала только выжолежадх слоен, при атом удается улучшить качество прогноза геопотспциала AT-voo.

Заключение

Исходя из получешшх результатов в ходе различии* чнелошшх экспериментов. можно сформулировать следующие осношшо выводи прово-дош-гаго исследования.

1. Качество прогноза метеовеличин существешю улучшается при использовании вложошюй сетки <ЬС>" на фоне полушорного прогноза UIC>. при этом такое улучшение возможно на фоне регионального прогноза, а региональная сотка (PC) должно отстоять от границы ВО па такое расстояние, которое позволяет исключить влияние граничных условий, что дает возможность экономить -2/з машинного времени.

2. Постановка граничных условий <ГУ> на ВС при одностороннем взаимодействии решений показала, что использование нестационарных ГУ позволяет улучшить статистическио показатели качества прогноза при-зомного давления и гоопотонциэла в .сроднем на их и пс/. по сравнению со стационарными ГУ. а оптимальное время для адаптации численного решения оказалось комбинацией. <4t= i ч.Лт = 2 ч>.

3. Процедура сглажива!шя в пригратгашх зонах вложенной сетки <ВС > позволяет исключить вычислительные шумы и добиться повышения качество, прогноза, особенно при сродной степегш ее учета. Такое же улучшение отмечается при корректировке ГУ при наличии оттока воздуха на границе ВС. При этом наилучшие результаты прогноза достигаются при ео подключении чероз каждый час <Дх0=1 ч> при степени кор-' • ректиропки, ровной 'Ь = о,ь). что позволяет избежать переопределе-

1мя заданных ГУ.

а. Лучшим подходом для учета орографических аффектов является подход, в котором учтено влияние орографии на процессы турбулентного обмона импульсом и теплом в пределах ППС. При этом учет орографии только для уточнения нижнего граничного условия не является достаточным для улучшения качества прогноза и подавления ложных мелкомасштабных возмущений. В случае учета влияния орографш1 на формирование вертикальных движений и па деформацию ветра удается еще улучшить статистические показатели качества прогноза в средам на 257. и 29-/. для н и н500по сравнении, с вариантом с нестзцио нарными ГУ без учета орюграфии.

5- При параметризации крупномасштабной конденсации метод функции конденсации оказался более приемлемым, чем метод итерации. Главным моментом в этом методе является точность определения вертикальной скорости и она уточняется с учетом влияния орографии Лучшие

результаты достигаются, при критических значениях относительной влажности о,9.

б. Большую роль в моделировании кучевых облаков, играет степень учета вовлечения воздуха из окружающей среды. Она влияет на значение площади занятой облаками, на содержание влаги в облаке и интенсивность ос.вдсоо, и приводит к отрицательным изменениям геопотенциала изобарических поверхностей. Лучшим подходом к параметризации влажной конвекции оказался метод, в котором учитываются влияние орографии, испарения и при степени вовлечения, равной 5-/., а площадь занятая облаками зависит от конвергенции влаги.

7. При реализации сухой конвекции удается устранить неустойчивость стратификации- В отличие от метода СКП, метод Куо не вызывает изменения стратификации нижележащих слоев зоны сухой конвок-

ция я приводят к изменению геопотенциала уровней, расположенных выше ее верхней границы. В свою очередь это приводит к существенному улучшению прогноза изобарической поверхности АТ-вэо. Такой метод физически более оправдан.

е. Реализация метода двухстороннего взаимодействия решения для постановки ГУ на вложенной сетке не привела к улучшению качества прогноза. Хотя он является теоретически более оправданным методом, но требует более сложного подхода для стыковки и согласования решений на обеих сетках.

Численное интегрирование системы уравнений оказалось устойчивым <для некоторых сроков» более чем на трое суток. При этом удаотся сохранить высокую степень корреляции между фактической и прогностической изменчивостями метеовеличин.