Главная » 2013 » Октябрь » 23 » Скачать Воспроизведение осадков с помощью гидродинамических моделей различного пространственного и временного масштаба. Игнатов, бесплатно
17:16
Скачать Воспроизведение осадков с помощью гидродинамических моделей различного пространственного и временного масштаба. Игнатов, бесплатно
Воспроизведение осадков с помощью гидродинамических моделей различного пространственного и временного масштаба
Диссертация
Автор: Игнатов, Роман Юрьевич
Название: Воспроизведение осадков с помощью гидродинамических моделей различного пространственного и временного масштаба
Справка: Игнатов, Роман Юрьевич. Воспроизведение осадков с помощью гидродинамических моделей различного пространственного и временного масштаба : диссертация кандидата физико-математических наук : 25.00.30 Москва, 2006 189 c. : 61 07-1/383
Объем: 189 стр.
Информация: Москва, 2006
Содержание:
1 Введение
Глава
I Анализ свойств глобальных архивов данных но осадкам и иснарению
11 Источники информации об осадках и иснарснии
12 Анализ источников информации об осадках и иснарении
13 Анализ свойств глобальных архивов данных но осадкам и иснарению
14 Выводы из главы
Глава
II Анализ осадков в экснериментах с моделью общей циркуляции атмосферы Гидрометцентра России
21 Исходные уравнения модели
22 Краевые условия модели
23 Крунномасштабная конденсация
24 Параметризация крунномасштабных осадков
25 Влияние темнературы новерхности океана на осадки в индийском муссоне
26 Свойства африканского муссона
27 Влияние пространственного разрешения модели на осадки в индийском муссоне
28 Влияние удвоения концентрации углекислого газа и аэрозоля на осадки
29 Влнянне «городскнх островов тенла» на региональные осадки
210 Выводы из главы
Глава
III Исследование нараметризации крунномасштабных осадков с учётом микрофизики облаков
31 Краткое онисание нараметризации
32 Диагностическое испытание нараметризации крупномасштабных осадков на глобальных и региональных данных
33 Влияние вертикальной структуры темнературы и влажности на осадки
34 Анализ результатов экснериментов с параметризацией крунномасштабпых осадков с учётом микрофизики облаков в модели ОЦА Гидрометцентра России
35 Выводы из главы
Глава
IV Сравнение методов нрогноза осадков и результатов пропюза в зависимости пространственного разрешения
41 Постановка и условия базового эксперимепта с региональной негидростатической моделью ММ
42 Анализ результатов базового эксперимента
43 , Постановка и условия второго экснеримента
44 , Анализ результатов второго эксперимента
45 Анализ внутримесячного изменения суточных сумм осадков
46 ,
Выводы из главы
Заключение Снисок литературы
Приложение от
Введение:
Исследование процессов преобразования влаги в атмосфере является одной из приоритетных задач современной метеорологии. Эти процессы существенно влияют на энергетику атмосферы. Важнейшим элементом гидрологического цикла атмосферы являются осадки. Атмосферные осадки формируются в результате взаимодействия процессов разных масштабов от молекулярного до глобального. Поэтому близкое к наблюдениям воспроизведение осадков в численных экспериментах с гидродинамическими моделями циркуляции атмосферы различных пространственных и временных масштабов является актуальной задачей численной метеорологии. Задаче исследования воспроизведения осадков на различных временных и пространственных масштабах гидродинамическими моделями посвящается диссертация. Образование осадков в моделях в первую очередь определяется влагосодержанием, условиями испарепия и конденсации водяного пара и паличием восходящих движений в воздушных массах различного происхождения, которые нри определенных циркуляционных условиях становятся потенциально осадкообразующими [Белов и др., 1989, Багров и др., 1985, Зверев, 1977]. Характеристики влажности, испарение и конденсация зависят от температуры воздуха и подчинены закономерностям ее раснределения во времени и пространстве. Характеристики влажности в первую очередь являются результатом нереноса водяного пара в системе общей циркуляции атмосферы, однако, в их формировании принимает участие и местпое испарение [Исаев, 2002, Elfatih, 1996]. В результате крупномасштабных процессов (циклопические, фронтальные процессы, длиппые волны) образуются восходящие движения воздуха, при этом происходит адиабатическое охлаждеиие ненасыщенного воздуха. Воздух достигает состояния насыщения, и выше соответствующего его уровня происходит копдепсация водяного нара. В процессах с антициклонической циркуляцией образуются нисходящие движения воздуха, и происходит дивергенция влаги. На фоне крунномасщтабных циркуляционных взаимодействий формируются мезомасштабные нроцессы (нанример, ячейковая конвекция) и турбулентность [Зилитинкевич, Монин, 1974, Захаров, 1974, Белинский, 1948]. Поскольку без достаточного развития восходящих движений образования осадков не нроисходит (даже нри необходимом влагосодержании), правомерно утверждать, что в конечном итоге основные закономерности пространственно-временного распределения осадков онределяет циркуляция атмосферы [Исаев, 2001. 2002]. Таким образом, в образовании осадков участвует множество динамических и микрофизических процессов разных нространственно-временных масщтабов. Как известно [Алибегова, 1985, Апасова, 1982], ноле осадков является неоднородным. Более медленный но сравнению с другими метеоэлементами нрогресс в гидродинамическом моделировании осадков связан с трудностью адекватного представления в моделях общей циркуляции атмосферы факторов осадкообразования и их взаимодействия. Так, нанример, в рамках численных моделей ОЦА невозможен нолный учет микрофизики облаков и осадков. Не достаточно точно воснроизводятся вертикальные скорости восходящих движений, которые в образовании осадков ифают определяющую роль. Поэтому необходима проверка качества расчета осадков в моделях циркуляции атмосферы и анализ факторов осадкообразования в моделях, и на их основе совершенствование параметризаций. Большой вклад в создание теоретических основ численного моделирования осадкообразующих нроцессов внесли работы Г.И. Марчука [Марчук и др., 1967, 1970, 1986] и других отечественных ученых [Матвеев, 1957, 1981, Дюбюк, 1947, Прессмап, 1975, Хаин, 1977, 1980, Казаков, Лыкосов, 1987]. Теоретические работы интенсивно осуществлялись и за рубежом [Kessler, 1969, Кио, 1974, Arakawa, Schubert, 1974, Betts, Miller, 1984, 1993, Anthe 1977].Одной из основных гидродинамических моделей, используемых в Гидрометцентре России для прогнозов погоды, является глобальная спектральная модель общей циркуляции атмосферы [Курбаткин и др., 1994, Фролов, Важник, 1999, Фролов и др., 2004]. Существует несколько версий спектральной модели Гидрометцентра России с различным прострапствепно-времеппым разрешением. Со спектральной моделью в Гидрометцептре России проведено большое число численных эксперимептов, целью которых было решение широкого спектра исследовательских задач [Рубинштейн, Громов, 2005, Рубинштейн, Егорова, 2000, 2002, Рубинштейн и др., 2001, Рубинштейн, Шмакин, 1999]. Все модели ОЦА и численного прогноза погоды включают в себя процедуры параметризации крупномасштабных осадков, которые делятся на два основных класса, в зависимости от того, представлена в них явно информация о характеристиках облачности, или нет. В большинстве схем, в которых не используется явно такая информация, реализован механизм крупномасштабного конденсационного приспособления. Этот механизм состоит в том, что вследствие крупномасштабных вертикальных движений и адвекции изменяются прогпостические значспия отпосительной влажности в модели, что может привести к возникновению конденсации и выпадению осадков. В схемах такого типа не учитывается количество облачной воды или другие типы гидрометеоров в облачном слое. Условия выпадения осадков несколько различаются в различньк схемах данного типа. Например, осадкообразование может происходить не при 100% относительной влажности, а при достижении значения 95%, нринимающегося за критическое значение осадкообразования. При этом перенасыщение (относительная влажьюсть 100%) сразу ликвидируется с помощью вьшадення осадков, а от значения 100% до значения 95% относительная влажность уменьшается постепенно в течение заданного определеппого временного интервала за счет осадкообразования. Таким образом, обеспечивается более плавное начало выпадения осадков, чем при критическом условии начала осадкообразования при относительной влажности 100%. Критические зиачения относительной влажности могут быть разными для разных модельных слоев. В общем случае, чем выше слой, тем меньше критическая влажность. К такому типу схем принадлежит параметризация крупномасштабного осадкообразрования в базовой версии спектральной модели Гидрометцентре России, которая описана во 2-й главе диссертации. Во втором типе схем крупномасштабной конденсации явно учитываются характеристики облачности. К таким схемам нринадлежит, например, параметризация, разработапная в 1995 г. и внедренная в мезомасштабную модель Eta [Zhao et al, 1997)]. В этой схеме явно рассчитывается количество облачной воды и содержание ледяных кристаллов в облаке. Облака в ней появляются в результате процессов крупномасштабной конденсации. Рассчитываются два трехмерных поля облачности, балл облачности определяется по значению относителыюй влажности, содержание облачной воды и ледяных кристаллов по отношению смеси вода/лед, для которого имеется собственное нрогностическое уравнение. В параметризации осадкообразования по рассчитанной таким образом облачности учитываются следующие шесть основных микрофизических процессов: автоконверсия облачной воды в дождевую воду, захват облачных частиц падаюшими каплями дождя, автоконверсия ледяных кристаллов в снег, захват облачных ледяных кристаллов падающими снежинками, таяние снега ниже границы замерзания, испарение осадков в нодоблачном слое. Следует отметить, что испарение сконденсировавшейся влаги во всех схемах крунномасштабной конденсации рассчитывается нрактически одинаково. Как правило, это разновидности методики испарения по Е. Кесслеру [Kessler, 1969]. В соответствии с этой методикой, осадки из слоя осадкообразования выпадают в нижележащий слой, изменяя значение относительной влажиости. Если это новое значение ниже определенного критического значения осадкообразования, нроисходит иснарение или конденсация до тех пор, пока значение относительной влажности не достигнет критического, либо до нолного испарения влаги. Количество осадков в нижнем модельном слое считается итоговым количеством осадков в модели. Необходимо кратко упомянуть о конвективных процессах, так как они также участвуют в осадкообразовании. Глубокая конвекция (которая может распространяться до тропопаузы) оказывает сильное влияние на крупномасштабную динамику путем перераспределения тепла, влаги и количества движения. От облачного покрова, возпикающего в результате конвекции, зависят нагревание поверхности и радиационные процессы, которые могут значительно менять статическую устойчивость и крупномасштабную циркуляцию атмосферы. Для движений всех масштабов важен выброс скрытого тепла при конвекции, являющегося основным источником энергии для большинства тропических систем, часть которой переносится также во внетропические широты. Характерпый масштаб конвективной облачпости и осадкообразования из нее составляет от 200 м (отдельные облака) до 200 км (скопления кучево-дождевых облаков). Средний масштаб составляет 2-20 км, что меньше разрешения современных численных моделей ОЦА, поэтому в них конвекция не может быть рассчитана явным образом, требуется её параметризация. Конвекция появляется, когда имеется влажно-неустойчивая стратификация, и эффект ее заключается в том, что она стремится выровнять профили вертикального распределения температуры и влажности. Общий эффект конвекции состоит в перераспределепии тепла и влаги ближе к устойчивой стратификации. В реальности с зопами конвергенции и восходящих конвективных движений соседствуют зоны комненсационной дивергенции и нисходящих движений. По этой причине в параметризациях конвекции вводится учет взаимодействия облаков и окружающего воздуха. Впервые такой учет реализован Аракавой и Шубертом [Arakawa, Schubert, 1974]. В рамках этого подхода не вся энергия неустойчивости, а лишь определенная ее часть, расходуется на нагрев и неремешивание. Помимо этого, для моделирования отдельных кучево-дождевых облаков, образующихся в областях с однородными граничными условиями, в параметризации конвекции необходим учет внешнего влияния. В часто используемой в моделях ОЦА схеме параметризации Куо [Кио, 1965, 1974] и ее модификациях это осуществлено путем расчета крупномасштабной конвергенции влаги в качестве фактора, определяющего возникновение конвекции. Эта схема конвекции реализована в численной модели ОЦА Гидрометцентра России. В настоящее время используется несколько основных схем параметризации конвекции. Независимо от формулировок, в каждой из них решаются следующие задачи: каким образом онределяются начало, локализация и интенсивность конвекции, как конвекция меняет окружающую воздушную среду, какими свойствами обладают параметризованные облака. Проводятся исследования характеристик конвекции для двух и трёхмерных моделей [Алексеева и др, 2003]. Для оценки качества результатов моделирования осадков необходимо сравнивать с данными метеорологических наблюдений. Сеть метеорологических станций распределена по Земле крайне неравномерно, поэтому для оценки результатов моделирования удобно использовать эмпирические данные в регулярной сетке точек (эталоны), нокрывающие всю территорию Земли. Задача подготовки таких эталонов является по сложности задачей вполне сравнимой с самим моделированием. В большой мере это касается осадков, которые имеют сложную нространственно-временную структуру. В работе анализу эталонов уделено большое внимание. Поскольку данные наземных станций не покрывают значительных территорий, для создания глобальных эталонов нриходиться привлекать несколько разиородных источников информации, например, спутниковые наблюдения и результаты моделирования.Существует несколько глобальных архивов да}Н1ых по осадкам и испарению, которыми широко пользуются в анализе результатов моделировапия. Перед исследователем, как правило, встаёт вопрос, какому архиву данных отдать предпочтепие в том или ином случае. В 1-й главе выполнен обзор глобальных архивов данных по осадкам и иснарению, исследованы их свойства, архивы соноставлены друг с другом, выявлены их достоинства и недостатки, кратко описаны техпологии получения каждого из упоминаемых архивов данных. Во второй главе диссертации анализируются осадки в экспериментах со спектральной моделью Общей Циркуляции Атмосферы (ОЦА) Гидрометцеггтра России на различных пространственных и временных масштабах и в различных численных экспериментах. Основные положения модели и параметризации были внедрены в Гидрометцентре России грунпой сотрудников под руководством Г. П. Курбаткина (Курбаткии и др., 1994) для среднесрочных прогнозов ногоды. Можно отметить, что, если формулировка динамической части моделей в мировой науке более или менее определилась, то математическое описание физических процессов постоянно развивается. Муссонная циркуляционная система является одной из наиболее устойчивых систем циркуляции атмосферы Земли. Не было ни одного года без летнего влажного муссона. Варьирует лишь время его начала и интенсивность, от которых зависит экономика большого региона. В связи с этим качество воспроизведения муссонной циркуляции и муссонных осадков является важной характеристикой модели ОЦА. Анализу муссонной циркуляции и осадков посвящена одна из частей работы. Муссонная циркуляция изучается давно. Международная программа MONEX [Results of Summer MONEX, 1980] значительно обогатила представления о процессах в тропиках. Анализ этих и других данных позволил существенно уточнить представление о динамических и физических процессах в регионах, подверженных муссонной циркуляции [Тропические муссоны, 1988]. Анализ результатов экспериментов по воспроизведению индийского муссона как глобальной циркуляциогнюй системы в моделях ОЦА проводился различными отечественными и зарубежными авторами [Дегтярёв, Павловская, 1992, Дегтярев, 2000, Мелешко и др., 1992, Brankovic, Palmer, 1985]. В работе [Webster et al, 1998] дан подробный обзор работ, посвященных исследованию процессов, происходящих в муссонных регионах, и поиску их взаимосвязей с другими явлепиями. Делается вывод о том, что муссоны Азии, Африки и обеих Америк выступают как интерактивные компоненты климатической системы и являются основными источниками тепла вне Тихоокеанского теплого бассейна, обладают изменчивостью в широком спектре масштабов, и в определенной степени связаны с аномалиями ТПО и других граничных условий, например, с аномалиями снежного покрова. В последние годы возрастает актуальпость вопроса о влиянии увеличения концентрации углекисло газа и аэрозоля на климат и, в частности, на осадки, К настоящему времени выполнено множество исследований влияния роста концентрации углекислого газа и аэрозоля на осадки и другие метеорологические элементы [Израэль и др., Мелешко и др., 2004 а,б, 2001, Dickinson et al, 1987, Manabe, 1975, Mitchel. Warrilow, 1987, Wilson, Mitch 1987, Manabe, 1987, Manabe, Stouffer, 1979, 1980, Manabe, Wetjerald, 1975, 1980]. В работе [V.Petoukhov et al, 2005] проведение сравнение результатов экспериментов с различными моделями ОЦА, направленных на исследование влияния удвоения углекислого газа иа климат EMIC (Earth system Models of Intermediate Complexity). Большинство климатических моделей и моделей ОЦА прошли тест на чувствительность к изменению концентрации углекислого газа и аэрозоля. Проведёниый в работе анализ показал, что модель ОЦА Гидрометцентра адекватно воспроизводит осадки. Поэтому, такое тестирование целесообразно было провести и для модели ОЦА Гидрометцентра России. В работе [Gates et al, 1995] приведено сравнение 18 моделей по исследованию чувствительности модельной атмосферы к изменению концентрации углекислого газа. Весьма полная обзорная публикация [Мелешко В.П., 1991] основана на этой работе. В численных экспериментах по исследованию изменений климата, обусловленных ростом концентрации СОг используется два подхода: изучепие равновесного климата при заданных концентрациях углекислого газа и изучение климата при изменяющейся во времени концентрации СОг. Мы привели результаты экспериментов только по первому методу. Тем не менее, некоторые результаты мы сравнили с результатами, полушнными в экспериментах второго типа е номощыо модели HADAM3 [Tet et al, 2000]. Как правило, изучение равновесного климата проводят с удвоешюй (или учетверенной) концентрацией парниковых газов. Согласно существующим оценкам концентрация должна удвоиться, нредположительно, к середине нынещнего столетия. Эксперименты с учетверенными концентрациями проводят для повышения достоверности получаемых результатов. Большая часть экспериментов проводится с помощью совместных моделей атмосфера океан или же используют модель верхнего слоя океана. Есть, однако, примеры работ, например, работы [Mitchell, Warrilow, 1987, Gate et al, 1981], где в подобных экспериментах температура поверхности океана задавалась. Мы пощли тем же путем, что и в работах этих исследователей. В работе описаны серии эксперимеитов, в которых исследуется влияпие удвоения концентрации углекислого газа на осадки в индийском муссоне и в других регионах Земли. Наряду с изменениями газового состава атмосферы механизмом влияния человека на изменения климата является активное земленользование. В частности, на климат могут влиять территории крупных мегаполисов. Площади этих «островов тепла» в сравнении с площадями континентов занимают небольшую часть новерхности сущи. Вместе с тем, в пределах мегаполисов сосредоточены интенсивные источники энергии, которая ностунает в атмосферу, разогревая приземные слои воздуха и изменяя их свойства в течение длительного времени. Большинство крупнейших городов мира располагаются в зоне с наиболее плотным Перед включением параметризации в глобальную модель необходимо провести работы по предварительному её тестированию с использовапием в качестве исходпых глобальных данных температуры и влажпости, т.е. без учёта обратных связей в модели. Эти данные могут быть взяты из объективного анализа метеорологических полей или из реанализа. Такой подход позволяет выявить и минимизировать недостатки, присущие данному методу и подобрать параметры, а затем провести включение параметризации в модель общей циркуляции атмосферы с подобранными параметрами. Эксперименты по тестированию параметризации на длительных интервалах времени, онисанные в работе, проведены впервые. В настоящее время во всех крупных прогностических центрах мира основой технологии прогноза погоды является крупномасштабная (как правило, глобальная) гидродинамическая модель. Несмотря на успехи в гидродинамическом моделировании и в создании систем усвоения данных в последние десятилетия, крунномасштабпые модели имеют в ряде регионов различные систематические ошибки в прогнозе осадков, природу которых устаповить непросто. Источником подобных ошибок могут являться недостатки в описании свойств подстилающей поверхности в сетке с большими пространственными шагами. Для устранения этих ошибок с целью улучшения нрогноза осадков широко используются региональные негидростатические модели циркуляции атмосферы. В таких моделях может иметься набор из нескольких процедур параметризаций основных физических процессов, в том числе и процессов осадкообразования. С помоп1ью моделей подобного типа есть возможность сравнить качество различных алгоритмов и процедур и отобрать оптимальные для дальнейшего использования в нределах заданных регионов и прострапственных структур. В первую очередь, увеличспис пространственного разрешения актуально при краткосрочном интегрировании модели, например, для пропюза погоды. Для этих целей была использована региональная пегидростатическая модель ММ5, разработанная в США [Grell, 1993]. В этой модели имеется набор из нескольких процедур параметризаций основных физических процессов. В связи с этим имеется возможность сравнить качество различных алгоритмов и процедур и отобрать для дальнейшего использования оптимальные для заданных регионов и пространственных структур, а при наличии вычислительных ресурсов строить ансамбль прогнозов, члены которого отличаются набором используемых параметризаций. В работе этому вопросу посвящена 4-я
