Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Пространственно-временное распределение характеристик пограничного слоя над метеорологическим полигоном о. Куба

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временное распределение характеристик пограничного слоя над метеорологическим полигоном о. Куба"

одесский гадгометеорологачески;) институт

На правах рукописи

РАУЛЬ ЗРНАНДЕС ЭР5ЩИД

УДК 551.510.522:551.554

пространстьенно-вркменное распрвдшше характеристик

пограничного слоя над жтгогожпшаш полигоном •

о.куба ' '

11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат'

- диссертации ня соискание учёной степени кандидата географических наук

One'.-.о а -

Работа выполнена в Одесском гидрометеорологическом институте.

' ' Научный руководитель-- доктор физико-математических

наук, доцент 1£найдман В.А.

Официальные оппоненты: доктор географических наук

зав.кафздрой метеорологии Казанского Госуниверситета ч Переведенцев Ю.П. ■ кандидат физико-математических наук, доцент Медведев Г.А,

Ведущая 'организация: Одесское отделение Государственного океанографического института

Защита диссертации состоится 10 октября 1991 г. в 14.СО часов на заседании специализированного совета К .068.04.01 в Одесском гидрометеорологическом институте, ауд.306 по.адресу: 270016, г.Одесса-16, ул.Львовская, 15,

ОШ.. ' ' -■ '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Одесского гидрометеорологического института. Отзывы и замечания в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан " 3 " с&пт&Е^Я' 1991 г.

Ученый секретарь специализированного с^ета

н.СЛЮбода

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема экологического мониторинга воздушной среда, требует детальных сведений о циркуляционном, термическом режимах и турбулентном перемешивании в пограничном слое атмосферы. Эти сведения могут быть получены на основе аэрометеорологических наблюдений и фиаико-магематичес- , кого моделирования.

В настоящее время для о.Куба таких сведений крайне недостаточно. Поэтому исследсзакия, посвященные код ;чеетвен-ной оценке структуры пограничного слоя над о.Куба,. представляют научгай и практический интерес и являются актуальными. Естественно, что задача экологического мониторинга, превде всего долота решаться на основе полигонвдх наблюдений и }изи чески обоснованных моделей пограничного слоя. Именно поэто-'му в настоящей работе физико-математическое моделирование внутренней структуры пограничного слоя осуществлено на основе данных Камагуэйского метеорологического полигона.

Цель и задачи исследования. Основная цель диссертационной работы состояла в разработке метода количественного описания пространственного распределения характеристик пограничного слоя .на основе математического моделирования и анализа данных стандартных азрометеорологических измерений к приложении его к ограниченной территории Камагуэйского метеорологического полигона. Реализация поставленной цели была осуществлена в диссертационной работе путем решения следующих основных задач:

1.Выбор моделей пограничного слоя для их применения в проведенных исследованиях.

2.Анализ исходной, информации и выявление закономерностей циркуляционного и термического режимов в районе исследования'.

■ 3.Разработка метода описания внутренней структуры пограничного слоя атмосфер! над метеорологическим полигоном, основанного на усовершенствовании моделей пограничного слоя атмосферы путем адаптации к стандартной метеорологической информации.

4.Количественная опенка термодинамического, циркуляци-

оннэго и турбулентного режимов над Камагуэйским метеорологическим полигоном для различных типов синоптических ситуа- ( ций. • ,. , ■'

Методика исследования состоит в синтезе математических моделей пограничного слоя атмосфзры и стандартней агрометеорологической информации для описания характеристик внутренней структуры пограничного слоя в районе исследования.

Научная новизна работы состоит в ток, что в диссертации впервые на основе синтеза данных стандартных наблюдений и моделей пограничного* слоя дано количественное описание циркуляционного, термического режимов и турбулентного обмена ' для ограниченной территории в условиях неоднородной подстилающей поверхности.

На защиту вынесены следующие основные результаты, представляющие научную и практическую значимость:

■ 1. Методика расчета характеристик пограничного слоя атмосферы над ограниченной территорией при достаточно густой сети метеорологических станций и наличии пункта радиозондирования.

2.Оценка характеристик пограничного слоя, в низких широтах с помощью одномерной и трехмерной моделей и решение задачи восстановления пространственной изменчивости метеовеличин и параметров турбулентности над однородной территорией и в условиях бризовой циркуляции.-

3.Количественное описание трехмерной структуры циркуляции и турбулентного обмена над центральной однородной территорией и прибрежной зоной метеорологического полигона о.Куба для типовых синоптических ситуаций. - . .

Обоснованность выполненного исследования определяется пименеьием современных моделей пограничного слоя атмосферы и применением информационного банка метеорологического полигона. - '

Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением измеренных .'. рассчитанных вертикальных профи-: ■лей ветра, температуры, сопоставление!., пространственных распределений измеренных и рассчитанных величин приземного ветра, воспроизведением основных закономерностей пространст-яекното распределения метеовеличин. .•

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенный подход может быть использован для расчетов циркуляционного, термического режимов и турбулентного обмена над территориями типа о.Куба при решении прикладных задач экологического мониторинга воздушной среда и локального прогноза метеовеличин,,

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных конференциях ОГШ (1989, 1990 гг.). Опу-. блинованы две статьи.

. Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Общий объем работы составляет 157. страниц в том числе 30 таблиц и рисунков. Список 'литературы включает 112 работ.

. ОСНОВНОЕ СОДЕРЗйШЕ РАБОТУ

Во введении дано обоснование актуальности теш диссер-., тационной работы, определяются ее цель, научная новизна, практическая значимость, методика исследования, излагается краткое содержание работы. ..

В первой главе уделяется большое внимание методам опи-. сания внутренней структуры пограничного слоя. Особое место занимает вопрос о методе замыкания системы уравнений.пограничного слоя атмосферы. Анализируются метолу замыкания, основанные на 1С- теории турбулентности. Показано, что сре-' ди этих методов, наиболее эффективным и перспективным является замыкание системы уравнений с помощью уравнения баланса кинетической энергии турбулентности и уравнения для скорости ее диссипации. Делается вывод о том, что исходя из ■ конкретных возмозшостей при оперативной работе в условиях о.Куба самым оптимальным вариантом является использование одномерной и трехмерной моделей пограничного слоя атмосферы, основанных на " £ " -замыкании.

Важным достоинством обеих м.оделай является то, что входные их параметры выражаются черэз данные стандартной аэрометеорологической информации.

Описывается одномерная модель стандартного бароклинн'о-го стратифицированного пограничного слоя. Модель учитывает основные физические факторы, формирующие структуру пограни-

иного слоя, воспроизводит вертикальные профили метеорологических .величин .и интегральных параметров пограничного слоя с'.точностью не меньшей, чем точность объективного анализа ■ полей ветра и температуры. -

3 приземном подслое вертикальные профили метеорологических величин и характеристик турбулентного перемешивания описываются с помощью универсальных функций теории подобия Обухова-Монина, а выше - в свободной пограничном слое -указанные профили рассчитываются путем численного решения замкнутой системы, состоящей из уравнений движения, баланса кинетической энергии турбулентных' вихрей и диссипации и.соотношения'Колмогорова для коэффициента турбулентности. ', Далее описывается трехмерная нестационарная модель пограничного рлоя. Система уравнений включает уравнения дви кения, статики, неразрывности, состояния притока тепла баланса кинетической энергии турбулентности и скорости диссипации, а также.соотношение Колмогорова.

В дополнение к физическим факторам одномерной модели в трехмерной, учтены горизонтальная неоднородность подстилающей поверхности, адвективный и конвективный переносы характеристик пограничного слоя. Численное решение замкнутой системы позволяют получить параметры пограничного слоя в узлах ограниченной пространственной решетки.

Во.второй главе исследованы здкономерности циркуляци-. онного и термического'режимов в районе Камагуэйского метео- ' рохогического полигона. В начале дано физико-географическое описание -района .исследования, Камагуэйский метеорологический полигон ( ЯШ ) находится в центральной и восточной части о.Куба и простирается между 20.5 - 22.5° с.ш. и 77 и 79° э.д.С севера омывается водами Атлантического океана, а, с юга - водами'Карибского моря. Наибольшая протяженность территории полигона-с,севера .а, юг не превышает 140 км.Местность довольно'розная. К северному побережью прилегают многочисленные островки, а ан атория характеризуется мелководьем. Прибрежные,зоны характеризуются ьзкоторой заболоченностью суш.- . ■-.. ■ -

» • Описывается, - ^новные типы синоптических процессов,ока-. . аьшающие непосредственное влияние на формирование пограничного слоя в районе исследования....... .

• ГУ I

Прежде всего, анализировалось распределение давления у земной поверхности и на верхней границ", пограничного слоя, которое определяло барические градиента на территории о.Ку--ба и их изменчивость ? горизонтальней плоскости. Характер . синоптической ситуаций в значительной степени определял тер, мическую стратификацию•и термическую адвекцию. Следовательно, представляло интерес выделение типовых- синоптических ситуаций с характерными термодинамическими' условиями формирования пограничного слоя. . •.

Шли бы делены 4 оенг зных типа синоптических ситуаций.

. 1. Облает^ высокого дапленид, связанные с'гребнем или ■ центральной частью Азорского антициклона (тип СА"). Преобладающий поток имеет восточную составляющую. В подтипе СА-1 . преобладает северо-восточный поток, а при СА-2 - юго-восто-* чный. При такой ситуации утром по направлению от неверного ■побережья к центральной части полигона температура уменьшается Сот 27 до 25°С). От центральной части полигона к юж-. • ному побережью отмечается слабое увеличение температуры... • •Приземное распределение температуры днем обратное. Максимальные температуры ( порядка 31°С ) отмечаются в центра-,■' льной части полигона, а к побережьям температура падает ' (особенно в сторону северного побережья).

2..континентальные антициклоны ( ДА ), формирующиеся на холодном северо-американском континенте и перемещающиеся , к востоку или юго-востоку. Преобладающий поток имеет хорошо выраженную северную составляющую при подтипе КА-1 и северо-', восточное направление при подтипе,КА-2. При континентальном' типе погоды (КА)характерно следующее распределение приэем- • ной температуры: утром.температура.постепенно понижается по направлению с севера на юг .( от 21 'до 18°С). Днем'имеет ме-' сто постепенное, увеличение температуры от северного к .южному побережью ( от 24 до 27°С). *

3. Холодные фронты и лредфронтальные системы ;(ХФ и ПС), .связанные с циклонами умеренных широт. Преобладающий поток имеет северную или северо-восточную составляющую. „При таких ситуациях температура утром, распределяется как при типе К/1. При холодных фронтах днем приземная температура распределяется как- при типе КА.. Дневные температуры при ПС' распределяются как и при типе СА. .

4. Тропические возмущения (ТВ), среди которых выделяются тропические, депрессии, переходящие в тропические циклоны и барические ложбины, связанные с развитием восточной волны"на юго-западной периферии Азорского антициклона.Преобладающий поток имеет восточную составляющую; При типе ТВ наблюдаются те же закономернс;ти распределения приземной температуры, что при типе СА.

Из всех рассмотренных макропроцессов наибольшая повторяемость приходится на тип СА, а затем на континентальный антициклон. В этой связи в районе полигона преобладают ветры северо-восточного направления.

Наряду с выделением основных процессов синоптического масштаба рассматривалась местная циркуляция. Естественно, что • в. условиях ровной местности основное внимание уделялось вопросу развития бризовой циркуляции. В физико-географических условиях прибрежных зон наибольшее развитие бризовая-циркуляция получает вблизи южного побережья. 4аще всего бризовый поток распространялся на расстояние менее 4С км. По данным зондирования пункта Камагуэй (в центре полигона) не отмечалось характерное для бризового потока распределение направления ветра с высотой.

В третьей главе излагается методика расчета характеристик пограничного слоя для отдельных пунктов полигона по данным радиозондирования и сетевых метеорологических станций. Важными входными параметрами являются величина шероховатое- . ти, приземный геострофический ветер, вертикальный градиент геострофичёского ветра и параметры. стратификации, определенные перепадами потенциальных температур вблизи нишей и верхней границ пограничного слоя.

Величина шероховатости в пункте зондирования спределя-ется из предположения о выполнении логарифмического закона распределения ветра с высг'пй. На остальных станциях величина шероховатости задается исходя из качественного анализа усло-пий местности путем введения поправки в рассчитанную на станции Камагуэй шероховатость.

Приземный гео^трофический ветер может быть определен по полю давления1 и задаваться в качестве исходной информации. Кроме того, геострофический ветер у земли может определяться путем линейной экстраполяции значения ветра на двух уровнях, расположенных вблизи верхней границы пограничного

слоя и отстоящих др\т от друга на расстоянии более 5С0 м. Между этими же уровнями определяется вертикальный градиент геострофичесного ветра. По значению фактического приземного ветра полученная таким образом величина приземного геостро-фиче!ского ветра мс*ет быть уточнена исходя из предположения о выполнении логарифмического закона распределения ветра с высотой вблизи нижней граница пограничного слоя.

Для пункта зондирования перепад потенциальных температур определяется между уровнем метеорологической будки и уро внем первой особой точки по температуре. При определении перепада потенг^иальных температур для остальных станций используется значение приземной температуры на каждой конкретной станции.

Далее приводится сопоставление измеренных и рассчитанных вертикальных гфофилей ветра и температуры, пространственных распределений измеренных и рассчитанных величин приземного ветра. Для однородной части полигона и наветренной прибрежной зоны ошибка определения скорости ветра в спеднем составляет 1-2 м/с. Температура определяется со средней ошибкой 0,5°С. Исходя из этого делается вывод о возможности использования одномерной модели для описания внутренней стру ктуры пограничного слоя над однородной частью полигона и над наветренной прибрекноР.зоной. Для территории полигона, где развивается бризовая циркуляция поручались расхождения между фактической и рассчитанной скоростью ве-ра порядка 3-4!-'/с и, кроме того, неверно восстанавливалось направление примем-. ного потока. После введения поправки удалось получить расчетные характеристики с такой же ошибкой как и для однородной части полигона.

Оцениваются термодинамические условия развития процесса турбулентного' перемешивания в районе полигона. Приведем количественные характеристики пограничного слоя над однородной частью полигона. -

Интегральные параметры пограничного слоя и вертикальные профили метеовеличин и характеристик турбулентности были получены для широкого комплекса термодинамических условий,при ' которих приземный геострофический ветер' менялся в пределах от 1 до 20 м/с, при умеренной и сл^бо неустойчивой, безразличной и слабо устойчивой стратификациях.

При указанном диапазоне термодинамических условий интегральные параметры пограничного слоя менялись следующим образом. Величины динамической скорости и приземного турбулентного потока тепла изменялись от. 1 до 53 см/с и от -28 до 180 вт/м*" соответственно,, величины угла отклонения приземного ветра от геострофического составили 15-42, вчсота пограничного слоя менялась от несколько десятков до ЗОСО метров.

Заметна четкая зависимость вертикальных профилей характеристик турбулентности от термодинамических условий. Пр^и . устойчивой стратификации и величине приземного геострофического четра,' не превышающего 5 м/с максимум коэффициента турбулентности не превышает 1 м^/с .'При таком же геострофическом ветре, но при условиях неустойчивости максимальный коэффициент турбулентности меняется в пределах от 3 до 20 м /с.'

При умеренном геострофическом ветре ( 5 ^ 10м/с)"

и устойчивых условиях максимум коэффициента турбулентности не превышает 9 м^/с, а при неустойчивых условиях составля- ■ ет о - 66 м^/с. . - ■

При геостпофическом ветре, превышающем 10 м/с и неустойчивых условиях максимальный коэффициент турбулентности составляет 40 - 73 м**/с, а при устойчивых условиях.он не превосходит 10 м^/с.

В конце главы приводится специальная процедура, разработанная для расчета характеристик пограничного слоя в районе бризовой циркуляции с использованием одномерной модели. Ее сущность заключается в определении высоты обращения гро- . .строфического ветра а использовании этого уровня в'качестве одного из опорных для задания исходной информации, необхо- -димой для численной реализации одномерной модели.

. ' Таблица 1 Характеристики пограничного слоя в районе ; бризовой циркуляции ( 22.07.88 г., 13 ч)

• СРр ; ^ ; И /1Г* :

__^м/с)° :(град):( м/с):(градЗ : (м) ;( м/с' ): (//с)

• 1 2 ' 30 - 10 •, 31 730 0,32 12,6

2 2 . 170 8 .'50 ' 459 . 0,25 6,6

1 i

"В табл.1 приводятся характеристики пограничного слоя (скорость ( CFp ) и направление (DDF¡> ) приземного ветра, модуль-приземного геострофического ветра ( /V^sl ), угол отклонения приземного ветра от геострофического ( »(о ), высота, пограничного слоя ( Н ), динамическая скорость( V* ). величина'максимального коэффициента турбулентности {¡¿/ллкс), рассчитанные без учета специальной процедуры (1) и с ее учетом (2). При этом скорость и направление фактического приземного ветра составляют-4 м/с и 160° соответстьенно. Данные приведенные в таблице указывают на более реальное описание внутренней структуры пограничного слоя при использо-s вании специальной процедуры. Как и следовало ожидать, существенно точнее рассчитано направление приземного ветра. Кро-. ме того при использовании специальной процедуры получается более пониженный фон турбулентности, что соответствует реальным условиям развития бризовой циркуляции.

Для района бризовой циркуляци" был получен следующий . диапазон изменений1 параметров турбулентности. Параметр стратификации в нижней части пограничного слоя соответствуем условиям неустойчивости и меняется в пределах от -43,8 до -22,6. При этом приемный турбулентный поток тепла меняется . в пределах от 2 до 22,2 вт/м^. Динамическая c::opccTL уг™ ' отклонения приземного ветрп от геострофического составляют 0,08 - 0,25 м/с и 4Й-65Г' соответственно. Шсота погранично-■ го слоя изменялась d'пределах 120-500 м и максимальный коэффициент турбулентности составил 2,0—14 м^/с, при приземном геострофическом ветре 3,0-6,0 м/с.

, Четвертая глава посвящена пространственно-временному распределению характеристик пограничного слоя при типовых синоптических ситуациях.

Восстановление пространственного распределения характеристик пограничного-слоя'при использований одномерной модели осуществляется применением процедуры сплайн-интерполяции к полученным над отдельными пунктами наблюдений характеристи-; кам. , '

Анализ пространственнлй и временн<_ Л изменчивости характеристик пограничного слоя при типовых синоптических ситуациях указывает на их зависимость от характерного распределе-

ния приземной температуры при данной синоптической ситуации, которое в свою очередь связано с направлением преобладающего потока. В утренний период при синоптических ситуациях с преобладающим потоком северного или северо-восточного направления { КА, ХФ, иногда CA ) происходит переход неустойчивой" стратификации на северном побережье к более устойчивой в центральной части полигона. Вблизи южного побережья устойчивость усиливается. Естественно,что наибольшее развитие турбулентность получает вблизи северного побережья. При этом приземный турбулентный поток может меняться в пределах до 180 вт/м^, а динамическая скорость может достигать 46см/с. Пограничной слой может достигать высоты 1500 м, а максимум коэффициента турбулентности может составить 66 м^/с. В центральной части полигона максимум приземного турбулентного потока тепли составляет 8,6 вт/м^. Возможны значения динамической скорости порядка 35 см/с. При этом пограничный слой может простираться до высоты 1300.м с максимумом коэффициента турбулентности порядка 25,5 м

2/с. В южной части полигона при отрицательных значениях приземного турбулентного потока тепла поряд-а - 20 вт/м- пограничный слой может . достигать высоты йОО м при максимальном турбулентном коэффициенте порядка

ö tfi/c.

При восточном направлении преобладающего потока ( CA и ТВ ) условия неустойчивости могут наблюдаться не только у северного побережья, но и в центральной части полигона, но в основном для центральной части полигона характерна безразличная стратификация ( ß>lv « В ). Б южной части устойчивость усиливается. Турбулентность по прежнему развивается , больще у северного побережья. Здесь положительные турбулентные потоки тзпла могут достигать 47 вт/м2, а динамическая скорость может составить 42 см/с. В этих условиях высота пограничного слоя может достигать величины порядка 1000 м с максимальным коэффициентом турбулентности равным

43 м2/с.

В центральной части полигона показатели турбулентности ниже. Максимальный приземный туркуеитннй поток Тепла составляет 2 вт/г/\ Максимум динамической скорости: составляет 38 см/с. При этом пограничный слой может достигать высоты порядка 800 м, а максимальный коэффициент турбулентно-

п

сти может составить 10 м/с.

В дневные часы ( 13 ч,) при синоптических ситуациях ти па СА и ТВ распределение параметра устойчивости несколько отличается .от его распределения в утренний период. На северном, побережье, как правило, устанавливается устойчивая стратификация, которая к центральной части полигона переходит' к неустойчивой. По направлению к южному побережью неустойчивость ослабевает. Поэтому наиболее благоприятны- уело вия развития турбулентности отмечаются в центральной части полигона. При указанной ситуации характерны положительные приземные турбулентные потоки тепла (»а исключением северной береговой черты). В центральной части полигона они могут составлять 90 вт/м*\ Здесь динамическая скорость может достигать 53 см/с. Пограничный слой при этом может простираться до высоты порядка ЗС00 м, а максимальный турбулентный коэффициент достигать 73 м^/с. Вблизи северного побережья пограничный слой достигает высоты порядка 1200 м,при максимальном- турбулентном коэффициенте.порядка 5 м^/с. При этом динамическая скорость может достичь величины 35 см/с. В южной части полигона характерна бризовая циркуляция, характеристики ПСА при которой были описаны ранее.

Полученные характеристики пограничного слоя позволили произвести расчет и Проследить основные закономерности распределения полей фрикционных токов.

В прибрежных районах при потоках с моря отмечается тек денция к усилению восходамих движений к ослаблении нисходя- . щих. Часто у береговой черты происходит смена знака ээртика льных скоростей на верхней границе пограничного слоя. Нисхо дящие движения сменяются восходящими.

В пятой главе осуществлено моделирование пограничного слоя с учетом неоднородностей подстилающей поверхности. С помощью трехмерной модели удалось получить мезомасштабное пространственное распределение характеристик пограничного слоя при различных синоптических условиях. Шла обнаружена большая чувствительность модели к игкодной информации и связанные с этим погрешности количественных характеристик пограничного слоя. Показано, что при натекании северс-восто чного потока с моря происходит ег замедление примерно на 2-3 м/с над сушей и затем вновь усиление скорости при выхо-

де с суш на море у южного побережья. Максимальные значения динамической скорости порядка 30 см/с отмечаются вблизи северной береговой черты. 'Вторичный максимум порядка 20 см/с отмечается в центральной части полигона с повышенной шерохо ватсстью.

.Распределение турбулентного потока тепла ( ) и коэффициента турбулентности (¡СМЛис) зависят от времени суток. Утром положительные значения б# и максимум (С отмечаются у северного побережья. Днем характерно установление повсеместно положительных значений О.о с максимумом в центральной частч.полигона. Здесь же отмечается максимальный турбулентны" коэффициент.

Закономерности распределения.характеристик погранично- ■ го слоя, полученные с помощью двух моделей пограничного слоя с учетом бризовой циркуляции согласуются между собой.

Количественные оценки характеристик пограничного слоя, определенные путем объединения ^£вух вариантов моделей пограничного слоя могут быть использованы в задачах рассеяния примесей'.

В заключении сфор: улированы общие вывода исследования:

1. В работе разработан метод восстановления пространственно-временного распределения характеристик ПСА, основанный на синтезе моделей пограничного слоя и стандартной аэрометеорологической информации в условиях неоднородной ограниченной территории. Шла разработана специальная процедура расчета характеристик пограничного слоя в районе бризово'й циркуляции.

2.' Получены интегральные параметры ПСА, вертикальные ' профили метеовеличин и характеристик турбулентности для шести пунктов наблюдений метеорологического полигона.'

3. Оценены пространственная и временная изменчивость характеристик ПСА при типовых синоптических ситуациях и характеристики взаимодействия пограничного слоя и свободной атмосферы.

4. Оценена пространственная изменчивость структуры ПСА в береговой зоне. ' 7