Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование процессов преобразования влаги в атмосфере в целях прогноза облачности и осадков

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата физико-математических наук, Акимов, Иван Владимирович, Москва

611 УУ ~ 7/

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (ГИДРОМЕТЦЕНТР РОССИИ)

На правах рукописи

АКИМОВ ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВЛАГИ В АТМОСФЕРЕ В ЦЕЛЯХ ПРОГНОЗА ОБЛАЧНОСТИ И ОСАДКОВ

11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: Кандидат физ.-мат. наук, Л.Р. Дмитриева-Арраго

Москва, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................................................4

1. Состояние вопроса........................................................................................................................................................................9

2. Общее описание влажностной модели..................................................................................................................21

2.1. Основные уравнения влажностной модели атмосферы и постановка задачи..........21

2.2. Алгоритм численного решения системы уравнений влажностной модели................26

2.3. Исследование вопроса о начальных данных..........................................................................31

2.4. Метод расчета крупномасштабных вертикальных скоростей..!............................................41

2.5. Определение скорости конденсации и ее зависимость от других видов притока тепла..............................................................................................................................................................................................51

2.5.1. Вывод формулы для расчета скорости конденсации из соотношений термодинамики............................................................................................................51

2.5.2. Вывод формулы для скорости конденсации из уравнений переноса насыщающей влажности и температуры с учетом притоков тепла......................54

2.5.3.Влияние притоков тепла на скорость конденсации..............................................................57

2.6. Реализация влажностной модели атмосферы на данных объективного анализа............61

3. Метод расчета количества неконвективных осадков, основанный на учете микрофизических процессов в слоистых облаках......................................................................................71

3.1. Основные формулы и параметры........................................................................................................................71

3.2. Сравнение и оценка роли различных микрофизических процессов на стадии осадкообразования..........................................................................................................................................................74

3.3. Параметризация критической водности, основанная на микрофизике облаков.. 81

3.4. Зависимость критической водности и интенсивности осадков от микрофизических параметров................................................................................................................................89

3.5. Учет интенсификации осадков за счет наличия ледяной фазы в облаке........................102

3.6. Расчет скорости испарения и таяния осадков..........................................................................................111

3

Стр.

4. Численные эксперименты по изучению влияния различных факторов на

пространственное распределение облачности и осадков. Оценки качества прогноза

облачности и осадков на фактических данных................................................. 123

4.1. Численные эксперименты по исследованию влияния критической относительной влажности на распределение количества облаков......................................123

4.2. Оценки прогноза дефицита точки росы и количества облаков...........................127

4.3. Зависимость полей осадков от динамических факторов и микрофизических параметров..............................................................................................................................................................................129

4.4. Влияние начальных данных по водности на прогноз осадков, оценка качества прогноза неконвективных осадков..............:....................................................................................137

4.5. Результаты альтернативного прогноза осадков для станций ЕТР и для Москвы. 143

4.6. Количественный прогноз осадков....................................................................................157

ВЫВОДЫ..............................................................................................................................................................................................165

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................................167

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................................................................................................170

ВВЕДЕНИЕ

Проблема трансформации влаги в атмосфере является одной из важнейших при решении задач прогноза погоды и моделирования климата. При этом разработка методов описания эволюции облачности и осадков, а также их прогноза на различные сроки являются основными вопросами.

Важнейшая роль облачности в задачах моделирования климата обусловлена тем, что облачность регулирует всю радиационную энергетику атмосферы Земли, являющуюся характеристикой климатического состояния планеты. В погодообразующих процессах облачность влияет на температуру подстилающей поверхности и приземного слоя атмосферы.

Осадки являются компонентом водного баланса атмосферы и поверхности Земли, и их правильное описание важно как для задач климата, так и для прогноза погоды.

Разработка методов количественного описания облачности и осадков ведется давно. Однако адекватный метод расчета количества облаков пока не найден. Методы, используемые в разных крупномасштабных моделях, дают количество облаков, настраивающее модель наилучшим образом. Методы расчета осадков в моделях разного временного и пространственного масштаба основаны на анализе поля влажности и не связаны с облачностью.

В повседневной практике прогнозов погоды основными методами прогноза облачности и осадков являются синоптические и статистические методы. Гидродинамические методы в России являются в настоящее время вспомогательными, и проблема количественного описания облачности и осадков в моделях атмосферы пока остается.

Понимание этого обстоятельства привело к появлению работ, в которых расширяется система уравнений крупномасштабной гидродинамической модели путем включения дополнительно уравнения переноса водности, являющейся прогностическим элементом. Расчет пространственного распределения этой характеристики позволяет построить схему расчета осадков, основанную на выпадении некоторой доли воды, имеющейся в облаке. Само же облако при этом остается существовать, имея определенную водность.

Доля выпавшей воды в реальных условиях зависит от микрофизических механизмов. Таким образом, возникает проблема сочетания микрофизических процессов в масштабе облака с процессами крупного масштаба такими, как перенос водности, конденсация и др. Так как точное описание микрофизических процессов в

крупномасштабных моделях не представляется возможным, возникает проблема параметризации их, основанная на осреднении и упрощении различных микрофизических механизмов для ансамбля облачных капель, а также на использовании величин, основанных на результатах цатурных экспериментов. Это, в свою очередь, требует оценки роли различных микрофизических факторов на различных стадиях развития облака. .

Данная работа посвящена разработке и реализации влажностной модели атмосферы, содержащей уравнения переноса влажности и водности в целях разработки алгоритмов расчета облачности и осадков. При этом необходимо описать физические механизмы, влияющие на перераспределение влаги в атмосфере. К ним относятся конденсация, фазовое преобразование, коагуляция капель, испарение и таяние частиц осадков. Все эти вопросы рассмотрены в представленной диссертации с той степенью детальности, которая возможна при имеющейся экспериментальной и научной информации. В связи с отсутствием во многих случаях соотношений, связывающих крупномасштабные характеристики с микрофизическими параметрами, в работе выполнено большое количество численных экспериментов с целью подбора этих параметров.

Критерием выбора являются результаты прогноза осадков, проведенные на фактических исходных данных, относящихся к прошедшему периоду времени и хранящихся в базе данных "анализ".

Актуальность работы. Работа посвящена исследованию процессов преобразования влаги в атмосфере в целях их более детального учета в задаче прогноза облачности и осадков применительно к крупномасштабным гидродинамическим моделям, предназначенным для прогноза погоды и моделирования климата.

Выполненная разработка новых методов расчета количества облаков и осадков с учетом процессов, происходящих в облаках, отвечает непосредственно потребностям прогностической практики. Введение фазы облаков и осадков в качестве прогностического элемента может быть также полезным при прогнозе опасных явлений погоды таких, как мокрый снег, гололед, заносы на дорогах. Все перечисленные выше факты говорят об актуальности представленной работы.

Цель и задачи работы. Цель работы - создание модели преобразования влаги в атмосфере, основанной на учете крупномасштабной динамики атмосферы и микрофизических процессов в облаках, применимой для прогноза крупномасштабной

слоистообразной облачности и неконвективных осадков в крупномасштабных моделях атмосферы.

В ходе выполнения работы были решены следующие задачи:

1. Создание гидродинамической влажностной модели атмосферы, предназначенной для прогноза облачности и осадков, содержащей уравнения переноса дефицита точки росы и водности, а также уравнение неразрывности.

2. Исследование вопроса, связанного с заданием начальных данных по водности, и оценка влияния способа задания начальных данных на прогноз осадков.

3. Разработка метода параметризации облачной микрофизики, основанного на расчете эволюции спектра облачных капель во времени, и применение этой параметризации для расчета интенсивности осадков.

4. Испытание разработанного алгоритма на фактических данных.

Новизна. В основе разрабатываемых в диссертации методов лежит моделирование различных этапов процесса преобразования влаги в атмосфере с помощью решения системы эволюционных уравнений переноса дефицита точки росы, водности и привлечения параметризации микрофизических процессов в облаках.

Применение уравнения переноса водности в крупномасштабной задаче моделирования преобразования влаги в атмосфере представляет собой новый подход к проблеме, используемый при развитии современных моделей в России и за рубежом. Такой подход позволяет усовершенствовать физическое содержание моделей, в которых будет применен разработанный алгоритм.

Микрофизический алгоритм, разработанный в диссертации, содержит новые подходы и результаты, позволяющие определить наличие и количество облаков и осадков, а также их фазовое состояние. Принципиально новой стороной микрофизического алгоритма является учет эволюции первоначально заданной функции распределения капель облака по размерам во времени.

В отличие от существующих методов расчета количества осадков в гидродинамических крупномасштабных моделях прогноза погоды и климата, где вся сконденсировавшаяся влага уходит в осадки, в данной работе после выпадения осадков облачность сохраняет некоторое количество воды, определяемое величиной критической водности.

Разработан новый метод моделирования эффекта Бержерона-Финдайзена, выражающегося в перераспределении водяного пара с переохлажденных капель на

кристаллы облака в смешанных облаках. Учтено его влияние на интенсификацию осадков в смешанном облаке.

Разработаны новые методы расчета испарения и таяния осадков в подоблачных слоях, основанные на общем микрофизическом подходе.

Практическая значимость. Разработан алгоритм расчета полей влажности, водности, облачности и осадков. Создана параметризация микрофизических процессов, происходящих в облаках.

Показаца возможность применения всего алгоритма для прогноза неконвективной облачности и осадков путем численных экспериментов с фактическими исходными данными.

Алгоритм подготовлен для практического применения на данных любой гидродинамической модели атмосферы.

Большое число расчетов количества осадков (более 300 случаев), проведенных в работе, и сравнение результатов с фактическими данными свидетельствуют о достоверности полученных в работе результатов.

Перспективы работы. Ближайшей перспективой работы является анализ влияния на качество прогнозов замены данных объективного анализа о ветре и температуре, используемых в процессе вычислений, на соответствующие прогностические поля, получаемые из гидродинамической атмосферной модели.

Работа допускает дальнейшее усовершенствование в плане уточнения методов расчета вертикальных движений, фазового состояния облаков и осадков, величины испарения осадков, учета фронтальных и конвективных осадков, учета турбулентного обмена влажности и водности.

Возможно дальнейшее развитие полученных алгоритмов, в частности, по мере освоения результатов таких крупных полевых экспериментов, как FIRE, ASTEX позволяющих уточнить различные константы.

Апробация работы. Основное содержание диссертации и результаты были представлены в следующих докладах на конференциях и семинарах:

1. Международное совещание-семинар: "Аэрозоль, облачность, радиация в Арктике", С-Петербург, ААНИИ, октябрь 1995.

2. Научная конференция по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды, Москва, Гидрометцентр России, ноябрь!996.

3. Всероссийская научная конференция: "Современные методы подготовки специалистов и совершенствование систем и средств наземного обеспечения авиации", Воронеж, ВВАИУ, май 1997.

4. Всероссийская конференция по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Нальчик, ВГИ, октябрь 1997.

5. WCRP first international conference on reanalysis, NOAA, Silver Spring, Maryland USA, October 1997.

Структура работы:

Первая глава посвящена обзору исследований в области прогноза облачности и осадков, рассмотрению состояния микрофизических проблем, имеющих отношение к задаче диссертации.

Во второй главе приведена постановка задачи и метод решения основных уравнений. Исследован вопрос о начальных данных, который не является тривиальным для уравнения переноса водности. Выполнены оценки широко используемого в моделях метода расчета скорости конденсации на основе рассмотрения влажноадиабатического обратимого процесса в насыщенном воздухе. В заключении главы представлены примеры реализации общего алгоритма на фактических данных.

Третья глава посвящена разработке метода расчета количества осадков с учетом микрофизики облаков. Основная концепция заключена в понятии критической водности, регулирующей начало выпадения осадков. Рассмотрено влияние микрофизических параметров, входящих в алгоритм, на величину и эволюцию критической водности. В этой же главе рассмотрены микрофизические процессы, связанные с образованием облачных кристаллов и их влиянием на интенсификацию осадков. Выполнена также оценка скорости испарения и таяния осадков.

Четвертая глава посвящена чисденным экспериментам для исследования влияния различных факторов на распределение дефицита точки росы, неконвективной облачности и осадков. Здесь же представлены результаты прогноза осадков на фактических данных за прошедший период.

Таким образом, представленная работа носит не только теоретический характер, V но и подготовлена для практического использования, о чем свидетельствуют полученные оценки, находящиеся на уровне показателей успешности синоптических и других гидродинамических методов.

1. Состояние вопроса

Перенос и трансформация влаги в атмосфере являются причиной образования облачности и осадков. Эти два метеорологические явления входят в число основных элементов погоды и климата Земли, от которых зависят условия жизни на Земле. В связи с этим, а также с развитием гидродинамических методов прогноза погоды и моделирования изменений климата, определению количества облаков и осадков уделяется большое внимание. Общий подход к определению' этих характеристик состоит в гидродинамическом моделировании полей влажности и температуры с последующим диагнозом количества облаков и осадков.

Большинство методов определения количества облаков в узлах сетки моделей прогноза погоды и климата имеют мало различий. Все они сводятся к вычислению полей относительной влажности, на основе которых вычисляется количество облаков [1-3]. При этом используются линейные или квадратичные связи между относительной влажностью и количеством облаков. Кроме того, задается некоторое критическое значение относительной влажности, при котором начинается образование облаков. Как оказалось, критическая относительная влажность является настраивающим параметром модели. Это обстоятельство было выявлено в работе [4], где на одинаковых исходных данных было проведено сравнение различных методов расчета количества облаков в моделях прогноза погоды и климата. В результате сравнения выяснилось, что различия в количестве облаков между разными моделями могут составить 6-8 б