WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

u u = KU + 2Z v (1) t x3 xu v = KU - 2Z u (2) t x3 xЗдесь ось x1 декартовой системы координат направлена на восток, ось x2 – на север, ось x3 – вертикально вверх, U1,U2 – горизонтальные компоненты скорости ветра, а UG, VG – соответствующие компоненты геострофического ветра, z = sin ( – угловая скорость вращения Земли, – широта).

Особенностью используемого подхода является то, что уравнение для потенциальной температуры записывается здесь следующим образом:

= K + (3) t x3 xгде функция (x1, x2, x3,t) – совокупность всех остальных членов уравнения притока тепла, не учитываемых в явной форме в (3). В данной интерпретации это уравнение не представляют собой ничего нового по сравнению с обычным до тех пор, пока не будет указан способ определения этой функции.

В этой связи следует отметить, что за исключением радиационных притоков тепла, все остальные компоненты обусловлены в значительной степени процессами синоптического масштаба, которые охватывают по вертикали весь атмосферный пограничный слой в целом. Что касается первой величины, то, как показали специальные исследования (А.С. Гаврилов, Д.Л. Лайхтман, 1973 и др.), ее вертикальный профиль имеет целый ряд характерных особенностей, причем максимальные по модулю значения достигаются в непосредственной близости к подстилающей поверхности (за счет интенсивного длинноволнового излучения вследствие значительных локальных градиентов температуры). Если выбрать нижнюю границу области расчета совпадающей с высотой измерения температуры на уровне ZБ =2 м (высота метеобудки), то влияние радиационных притоков тепла на формирование вертикальной структуры поля температуры уже не будет столь существенным.

В отличие от проведенных ранее исследований (И.Н. Липовицкая, 2008г.), где для расчета (t) в уравнении (3) привлекались лишь данные стандартных гидрометеорологических измерений на метеостанциях, в нашей работе предпринята попытка использования для этих целей трехмерных синоптических полей температуры (данные анализа температуры на уровнях 1000, 925 и 850 гПа), синхронизированные по времени с данными метеостанций.

Учитывая, что в имеющихся данных реанализа проявляются суточные колебания температуры, здесь следует предварительно их обработать путем выделения тренда. Для этой цели по данным анализа на стандартных изобарических поверхностях за период несколько суток методом скользящего сглаживания определялся текущий полиномиальный тренд потенциальной температуры:

~ m (t) = B0(m) + B1(m) t + B2(m) t, (4) где m определяет здесь номер поверхности (m=2 для 925 гПа, m=3 – для 850 гПа ).

На нижнем уровне с m = 1 используются данные обработки аналогичным способом результатов измерений на метеостанциях (4).

Bi Определение коэффициентов осуществляется здесь методом наименьших квадратов из условия минимальной среднеквадратической ошибки представления:

NT [ (tK ) - B0 - B1tK - B2tK ] = min(Bi ). (5) k=B0, B1, BДифференцируя это выражение последовательно по и приравнивая результаты нулю, получаем в итоге систему трех линейных уравнений для вычисления необходимых коэффициентов.

Вычисление искомых значений функции (x1, x2, x3,t) осуществляется после линейной интерполяции значений (4) в расчетную сетку модели АПС с координатами сеточных узлов:

Xi = X0 + (i -1); Yj = Y0 + ( j -1); Zk = Z1 exp[h(k -1)], (6) x y где для горизонтальных координат X,Y приняты постоянные шаги сетки x, y, а для вертикальной координаты Z – так называемая логарифмическая сетка, в которой постоянным является шаг логарифма высоты h = lnZH, причем Z1,ZH – ZNz -высоты, соответственно нижнего и верхнего уровней расчетной области, а NZ – число расчетных уровней по вертикали. Величины X0,Y0 здесь – координаты нижнего левого угла области расчета.

При этом расчет функции (x1, x2, x3,t) для каждого сеточного узла (i,j,k) здесь может быть произведен следующим образом:

~ ijk (t) =. (7) t ijk Над поверхностью суши высота нижнего расчетного уровня принимается равной Z1= 2 м и совпадает с высотой измерений в стандартной метеорологической будке. Это дает возможность задавать нижние граничные условия для функции (t).

Над поверхностью моря вводился дополнительный уровень – так называемый уровень шероховатости морской поверхности ZW, на котором температуру можно полагать совпадающей с температурой поверхности воды в данном сеточном узле ij TW. При этом нижнее граничное условие для потенциальной температуры записывалось в форме:

= MW (1 - TW ), (8) xгде MW =, а для расчета величины ZW как функции скорости ветра Z1 ln(Z1 / ZW ) использовалась известная формула Чарнока.

Схема замыкания уравнений (1) – (3) опиралась на подход, основанный на дополнительном привлечении уравнений для вторых и, частично, третьих моментов одноточечных моментов турбулентных пульсаций, хорошо апробированный и верифицированный применительно к расчету структуры АПС (А.С. Гаврилов, 1986, 1992).

Систему уравнений (1) – (3) следует интегрировать по времени, начиная с некоторого момента t0, с заданием фиктивных начальных условий, поскольку фактические сведения о реальной вертикальной структуре АПС отсутствуют.

Для компонент скорости ветра в этом качестве привлекались функции ST u,vST (x3 ), удовлетворяющие стационарному решению уравнений для горизонтальных компонент скорости, а для температуры – линейный профиль потенциальной температуры, получаемый на основе расчета ее среднего градиента по дан ~ ным реанализа на поверхностях 925, 850 и 700 гПа: (x1, x2, x3,t0 ) = (t0 ) + (x1, x2 )x3.

В реальных условиях не во всех случаях суточный ход температуры носит «правильный» характер это происходит за счет, прежде всего, резкой смены синоптических условий при прохождении атмосферных фронтов и влияния облачности, которая может существенно искажать суточный ход инсоляции. Понятно, что в этих условиях аппроксимация (4) оказывается неприемлемой и вместо нее следует ограничиться получением путем той или иной формой интерполяции зависимости температуры от времени между сроками наблюдений. Отметим, что подобная ситуация имеет место не более чем в 10 % случаев.

Задание нижних граничных условий для компонент скорости ветра и характеристик турбулентности также в этом случае осуществлять на уровне ZБ, используя в этом случае соотношения, вытекающие из известных закономерностей вертикальной структуры турбулентности в логарифмическом приземном слое:

u v = MU (u + UG ), = MU (v + VG ), (7) x3 xгде Vm = (u +UG )2 + (v +VG )2 – модуль скорости ветра, MU =, а Z0 – Z ln(ZБ / Z0 ) Б уровень шероховатости подстилающей поверхности, таблично задаваемый для каждого конкретного типа подстилающей поверхности.

На верхней границе расчетной области ZH, заведомо превосходящей высоту распространения суточных колебаний (около 2 км), все отклонения температуры и компонент скорости ветра от своих фоновых значений.

Для верификации предложенного метода применительно к расчету характеристик термической устойчивости АПС привлекались уникальные данные метеорологических наблюдений, осуществляемых в настоящее время на Останкинской телевизионной башне (ОТБ) в г. Москва (температура, влажность, скорость и направление ветра до высоты 500м).

На основе измерений на двух нижних уровнях (82 и 2 м) за период летних месяцев 2006г. рассчитывалось так называемое интегральное число Ричардсона h g Ri = T (U )2, где = – параметр плавучести ( g – ускорение свободного падения, T – температура в шкале Кельвина), h = 80м – толщина слоя, а, U – разности значений потенциальной температуры и скорости в этом слое, соответственно. Результаты сопоставления измеренных и расчетных величин числа Ri представлены на рисунке 1.

-----6 -4 -2 0 2 4 Ri по измерениям Рисунок 1 – Корреляционный график рассчитанных и измеренных на ОТБ интегральных чисел Ричардсона в слое 2 – 82 м за летний период 2006 г.

Ri по расчетам Как следует из проведенного статистического анализа, коэффициент корреляции составляет здесь 0.90, что свидетельствует, в целом, о достаточно высокой точности расчетов.

На рисунке 2 представлена рассчитанная за летний период 2006 г диаграмма соответствия категорий устойчивости Пэскуилла-Гиффорда, рассчитанных с использованием предложенного нами метода и непосредственно из данных градиентных наблюдений скорости ветра и температуры в слое 2 – 82 м на ОТБ. Из представленных результатов следует, что вероятность согласования расчета и измерений с точностью до категории оказывается около 80%, а если включать в число успешных расчетов и по одной соседней категории, то эта цифра достигнет 90 %. Этот результат можно признать вполне удовлетворительным с учетом приближенного характера собственно понятия «категории устойчивости».

1 2 Рисунок 2 – Диаграмма соответствия категорий устойчивости Пэскуилла-Гиффорда, рассчитанных с использованием модели АПС; 1 – вероятность совпадения с точностью до категории, 2 – с точностью до соседней категории.

Таким образом, разработанная нами методология открывает возможность интеграции разнородной и асинхронной метеорологической информации на основе численной модели АПС для построения климатических карт различного рода практически важных характеристик атмосферного пограничного слоя.

В третьей главе представлен климатологический анализ результатов расчетов применительно ко всем странам Восточного Средиземноморья. Исходная информация была получена из общедоступного архива метеоданных для метеостанций, имеющих пятизначные номера Всемирной Метеорологической Организации (ВМО). Для получения необходимой расчетов функции (7) привлекались накопленные за период 2000 – 2006 гг. архивы данных реанализа для Северного полушария в Вероятность, % формате GRIB с сервера национальной Службы Погоды США (National Weather Service, http://nomad3.ncep.noaa.gov/cgi-bin/ftp2u_6p_r2.sh).

Основные направления исследования предусматривали здесь как сравнительный для различных областей региона анализ временной изменчивости характеристик атмосферы, определяющих условия рассеяния антропогенных выбросов, так и пространственный анализ такого рода характеристик.

Результаты общего статистического анализа временной изменчивости этих характеристик атмосферы представлены в разделе 3.5. Наибольшее внимание здесь уделялось изучению параметров приземных инверсий, высоте слоя перемешивания и категориям устойчивости атмосферы.

В качестве примера на рисунке 3 представлена общая повторяемость высоты приземной инверсии в целом для всего региона, а на рисунке 4 – ее суточная изменчивость.

М 200-150-125-100-80-70-80 День 60-Ночь 50-40-30-20-10-0-0 10 20 Повторяемость, % Рисунок 3 – Повторяемость высоты верхней границы инверсии зимой в целом для всего региона Восточного Средиземноморья.

Час Январь Июнь Среднегодовая Рисунок 4 – Средняя высота инверсии в течение суток по региону Восточного Средиземноморья М Как можно видеть из приведенных примеров расчетов, кривая среднегодового хода средней высоты инверсии достигает максимума в 08:00, и составляет 55 м. Рост высоты инверсии с 03:00 до 09:00 (с 25 м до 55 м) можно объяснять тем, что в утренние часы после восхода солнца, происходит интенсивный нагрев поверхности, приводящий к развитию конвекции и быстрому разрушению инверсионного слоя.

Затем наблюдается некоторое снижение высоты инверсионного слоя до 20 метров.

Еще один пример результатов расчетов высоты приземной инверсии приведен на рисунке 5, из которого можно выявить различия в высотах средних ночных приземных инверсий в северной области рассматриваемого региона (пункт Анталья), в центральной (пункт Хайфа) и южной его областях (пункт Порт-Саид).

М 80-70-60-Анталья 50-Порт-Саид 40-30-Хайфа 20-10-0-0 10 20 Повторяемость, % Рисунок 5– Повторяемость высот приземных инверсий ночью в среднем за год по городам Хайфа, Порт-Саид и Анталья.

Как следует из представленных результатов, наибольшую повторяемость на севере и юге региона имеют высоты 20 – 30 м, а в центральной части – около 60 – 70 м. Связано это, вероятно, с проявлением в синоптических процессах данного региона характерного для умеренной зоны Северного полушария западно-восточного переноса, в процессе которого на территорию таких стран, как Израиль и Сирия происходит заток в зимний период теплого морского воздуха со Средиземного моря.

Этот эффект, вследствие конфигурации береговой черты, не является характерным для территорий Турции (п. Анталья) и Египта (п. Порт-Саид).

В качестве еще одного примера исследования временной изменчивости, приведем здесь рисунок 6, на котором представлен суточный ход повторяемостей различных категорий устойчивости атмосферы Пэскуилла-Гиффорда в целом для всего региона Восточного Средиземноморья за год.

A B C D E F G 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Час Рисунок 6 – Пример расчета повторяемостей различных категорий устойчивости атмосферы в различные часы суток в среднем за год.

Категории «А» и «B» в этой классификации соответствуют свободной конвекции, «С» – вынужденной, «D» – нейтральной стратификации, «E», «F» и «G» соответственно, слабой, умеренной и сильной устойчивости атмосферы. Как можно видеть из рисунка, в среднем, примерно в 60% случаев стратификация атмосферы близка к нейтральной, в дневные сроки наблюдений доминируют первые три категории устойчивости (A,B,C), а в ночные – последние (E, F и G).

Наконец, в разделе 3.6 представлены результаты пространственного анализа расчетных характеристик рассеивающих способностей атмосферы.

Пространственный анализ осуществлялся с использованием метода сплайновой интерполяции результатов расчетов тех или иных параметров на каждой из метеостанций, данные которых использовались в расчетах. С учетом того, что значительную территорию изучаемой области занимает морская поверхность, на которой метеорологических станций нет, предполагалось, что здесь суточный ход температуры отсутствует полностью, а все остальные необходимые метеорологические параметры могут быть получены из данных аэросиноптического реанализа атмосферных процессов в узлах регулярной сетки.. В отличие от суши, здесь дополнительно Повторяемость, % привлекались также и данные о температуре подстилающей поверхности, задаваемой в градусной сетке 1° 1°, также имеющиеся в нашем распоряжении.

В качестве исходных данных для расчета привлекаются ряды наблюдений на метеостанциях и данные реанализа на стандартных изобарических поверхностях.

Свойства подстилающей поверхности, необходимые для расчета (суша-море, шероховатость поверхности) задаются с помощью слоев электронной карты территории, поддерживаемой в ГИС ArcView 3.2.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»