СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ.............................................1
ГЛАВА 1. ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ......................................5
1.1 Классификация моделей пограничного
слоя атмосферы.......................................5
1.1.1 Общая 3-х мерная модель
Дирдорфа.............................................5
1.1.2 Частные прикладные модели пограничного
слоя атмосферы.......................................9
1.2 Модели горизонтально-однородного
пограничного слоя атмосферы.........................14
1.3Модели горизонтально-неоднородного
пограничного слоя атмосферы.........................17
1.4 Метод Вагера-Надежиной для
решения задач горизонтально-неоднородного слоя
атмосферы...........................................22
ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ВЕРТИКАЛЬНЫХ
ПРОФИЛЕЙ............................................24
2.1 Постановка задачи...............................24
2.1.1 Приборы и методы измерения характеристик пограничного слоя
атмосферы....,......................................24
2.1.2 Приборная база для аэрозольных
исследований ...........................................25
2.1.3 Результаты экспериментальных
исследований............................................28
2.1.4 Климатическое описание исследуемого
района..................................................30
2.2 Описание модели.................................... 35
2.2.1 Исходная система уравнений....................... 35
2.2.2 Исходная система уравнений для
стационарных течений...................................37
2.2.3 Анализ уравнений исходной
системы уравнений.......................................38
2.2.4 Замыкание исходной системы
уравнений...............................................39
2.2.5 Учет граничных условий на нижнем и
верхнем уровнях........................................41
2.3. Численный метод решения уравнений пограничного слоя.......................................44
2.3.1 Выбор разностной схемы............................44
2.3.2 Построение конечно-разностных
уравнений...............................................49
2.3.3 Задание начальных
условий.................................................53
2.3.4 Решение системы уравнений горизонтальнонеоднородного пограничного слоя атмосферы...............56
2.4. Описание программы.................................58
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ ХАРАКТЕРИСТИК ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ПО МЕТОДУ ВАГЕРА-
НАДЕЖИНОЙ............................................62
3.1 .Структура пограничного слоя атмосферы в условиях динамической
трансформации........................................62
3.2.Структура пограничного слоя атмосферы в условиях изменения температуры и влажности подстилающей
поверхности..........................................71
3.3 Определение уровней измерений
для подготовки экспериментов.........................81
Заключение и выводы..................................83
Библиографический список.............................84
Приложение 1........................................ 92
Приложение 2........................................104
Введение
Необходимость решать различные научные и практические задачи, связанные с проблемами влияния промышленно-хозяйственных объектов на мезоклимат окружающих территорий, с состоянием загрязнения
окружающей среды, с моделированием атмосферных процессов, с
исследованиями в области локального прогноза погоды и общей циркуляции атмосферы требует уточнения современных теоретических представлений о структуре горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы, а также выдвигает новые требования к точности и детализации экспериментального описания структуры пограничного слоя атмосферы в условиях изменяющихся свойств подстилающей поверхности. [1,21].
Неоднородности естественного и антропогенного происхождения-такие как осушаемые, орошаемые участки земли, водоемы суши, закрытые «хвостохранилища» обогатительных предприятий, территории, являющиеся открытыми источниками сырья для промышленных предприятий (например, оз. Селитренное Благовещенского района Алтайского края, являющееся источником мелкодисперсного сульфата натрия для предприятия
Кучуксульфат) - меняют свойства подстилающей поверхности, а следовательно и структуру пограничного слоя атмосферы. В последнее время в научной литературе широко обсуждается вопрос о необходимости решения задач горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы [1,21, 28, 30,31,39].
Несмотря на определенные успехи математического и физического моделирования пограничного слоя атмосферы, единой универсальной модели пока нет, а наиболее совершенные из них настолько сложны и требуют такого количества машинного времени, что их применение практически становится нереальным. Поэтому разработано большое число частных моделей, каждая из которых удовлетворительно воспроизводит те
1
или иные свойства пограничного слоя атмосферы [21].
Существующие методы измерения структурных характеристик флуктуаций некоторых величин (градиентный, микропульсационный, акустические, оптические), а также средства оперативного измерения (самолеты-мегеолаборатории, привязные аэростаты, системы дистанционного зондирования атмосферы, допплеровские радиолокаторы, высотные метеорологические мачты, передвижные лаборатории) используются для решения многих задач пограничного слоя атмосферы, но, по различным причинам, имеют ограничения в применении. Как правило, число точек наблюдения как в направлении среднего ветра, так и в вертикальном направлении невелико, это затрудняет описание полной картины исследуемых процессов горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы [21,73,74]. В условиях отсутствия единой модели горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы, ограниченного применения методов и средств экспериментальных измерений, проблем экономического характера необходимо совместное использование численных и экспериментальных методов для планирования и проведения натурных измерений характеристик горизонтально-неоднородного пограничного слоя атмосферы.
Цель работы - исследование влияния горизонтальной неоднородности подстилающей поверхности (изменения температуры, влажности, шероховатости) на вертикальные профили метсоэлементов и параметров пограничного слоя атмосферы для планирования и постановки натурного эксперимента.
Задачи исследования - разработка методики планирования и постановки натурного эксперимента;
-создание комплекса программ для расчета вертикальных профилей метсоэлементов, концентрации примеси и параметров пограничного слоя
2
атмосферы для планирования и постановки экспериментальных измерений в условиях изменяющихся свойств подстилающей поверхности;
-проведение модельных расчетов вертикальных профилей метеоэлементов, концентрации примеси и параметров пограничного слоя атмосферы в условиях горизонтальной неоднородности подстилающей поверхности в конкретных условиях оз. Селитренное Благовещенского района Алтайского края,
- определение репрезентативных уровней экспериментальных измерений на основе модельных расчетов.
Научная новизна
- для планирования экспериментов по измерению вертикальных профилей метеоэлементов в пограничном слое атмосферы создан комплекс программ, учитывающих изменения свойств подстилающей поверхности и позволяющих рассчитать вертикальные профили метеовеличин;
- разработана методика выбора репрезентативных уровней для измерения метеовеличин пограничного слоя атмосферы на основе модельных расчетов влияния горизонтальной неоднородности- влажности, температуры и шероховатости подстилающей поверхности- на вертикальные профили метеовеличин в условиях оз. Селитренное (Благовещенский р-н Алтайского края);
Автор выносит на защиту:
1.Методику планирования и постановки натурных экспериментов по измерению вертикальных профилей метеовеличин и параметров пограничного слоя атмосферы в условиях реальных объектов.
2. Методику расчета вертикальных профилей метеовеличин и распределения примесей в пограничном слое атмосферы на основе
3
комплекса программ, учитывающих изменения свойств подстилающей поверхности;
3. Результаты расчетов профилей метеовеличин и параметров пограничного слоя атмосферы при изменении температуры, влажности, шероховатости подстилающей поверхности на примере оз. Селитренное Благовещенского района Алтайского края.
Апробация работы
Основные результаты исследований докладывались на следующих конференциях;
Международная конференция «Физика атмосферного аэрозоля» Москва, 12-17апреля, 1999г.;
Международная конференция «Аэрозоли Сибири», Томск, 1999г.;
Международная конференция «Контроль и реабилитация окружающей среды», Томск, 2000г.;
Международная конференция «Аэрозоли Сибири», Томск, 2000г.;
VIII объединенный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Иркутск, 25-29 июня 2001г.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, трех глав, двух приложений и списка литературы из 85 наименований. Полный объем диссертации - 84 страницы основного текста, 41 рисунок, тексты 4 программ.
4
ГЛАВА 1. Обзор моделей пограничного слоя атмосферы
1.1 Классификация моделей пограничного слоя атмосферы
1.1.1. Общая 3-х мерная модель Дирдорфа
В атмосфере самые резкие изменения ветра, температуры, влажности обычно локализованы вблизи поверхности земли. Поэтому область воздушных течений вблизи земной поверхности можно рассматривать как пограничный слой. Пограничный слой атмосферы можно определить как нижнюю часть атмосферы, в которой природа и свойства подстилающей поверхности оказывают непосредственное влияние на турбулентность [4].
Принято считать, что в случае однородной подстилающей поверхности структура пограничного слоя атмосферы подобна двумерному турбулентному пограничному слою, в котором есть внешняя и внутренняя области. Во внешней области поток почти не зависит' от характера подстилающей поверхности и определяется в основном скоростью свободного течения, в то время как во внутренней области, называемой также приземным подслоем, на поток существенно влияет характер подстилающей поверхности [29,46,16,5,12]. Пограничный слой атмосферы в значительном числе случаев находится в состоянии изменения, которое вызывается, во-первых, изменениями в
свободной атмосфере, во-вторых, пограничный слой приспосабливается к
подстилающей поверхности. Под влиянием динамического и теплового взаимодействия воздушного потока с подстилающей поверхностью формируется турбулентный пофаничный слой атмосферы [4,21,66].
Пофаничный слой атмосферы в значительном числе случаев находится в состоянии изменения, которое вызывается, во-первых, изменениями в
5
свободной атмосфере, во-вторых, пограничный слой приспосабливается к подстилающей поверхности [4,10,12].
Источником турбулентной кинетической энергии в первую очередь является сдвиг ветра, возникающий при торможении потока вязкими напряжениями вблизи этой поверхности. Кроме того, радиационные притоки тепла, вызывающие разницу температур между поверхностью и воздухом, приводят к разностям плотности и возбуждают силы плавучести, которые тоже являются источником турбулентной энергии. Влажность воздуха, обусловленная испарением, действует в этом же направлении. Кроме этих поверхностных источников тепла на любом уровне в толще атмосферы конденсация влаги может освобождать скрытое тепло, а радиационные потоки-вызывать потепление или похолодание [10,57,67].
В последние десятилетия математическое и физическое моделирование пограничного слоя атмосферы получило бурное разностороннее развитие, однако, единой универсальной модели пока нет, а наиболее совершенные из них настоль ко сложны, что их применение практически невозможно [5,6,11,60,61]. Одна из самых сложных современных моделей-модель Дирдорфа. Подход к решению задачи расчета планетарного пограничного слоя отличается от большинства исследований, выполненных в этой области.
Задачи пограничного слоя рассматриваются Дирдорфом в весьма общей форме. Степень обобщения позволяет проследить на модели, как происходит формирование планетарного пограничного слоя в условиях нестационарности, горизонтальной неоднородности, при наличии тепло- и влагопередачи. Вообще говоря, в обсуждаемой модели можно учесть в той или иной форме все эффекты, которые представляются существенно влияющими на структуру течений в пограничном слое.
Основные особенности модели Дирдорфа таковы:
6
-численная схема построена для полных уравнений пограничного слоя, учитывающих 3-х мерный характер турбулентного потока и нестационарность.
-замыкание системы уравнений основывается на принципе выделения масштабов турбулентных движений, меньших шага сетки.
Рассмотрение трехмерных полей метеорологических элементов значительно повышает информативность модели, поскольку такая постановка задачи полнее отражает реальную картину атмосферных процессов. Вместе с тем необходимость интегрировать сложные нелинейные уравнения в достаточно большом пространственном объёме при соблюдении ограничений, накладываемых на шаг сетки, делает реализацию этой модели чрезвычайно трудоемким и дорогостоящим делом. В моделях Дирдорфа число точек достигаетигает значения (40X40X40) в пространственной области (гХхХу)=2Х5Х5км.
Такое разрешение в вертикальном направлении не может быть признано достаточным при анализе задач микрометеорологии, условии формирования пограничного слоя атмосферы над поверхностью сложной структуры и других подобных вопросах. Между тем, для реализации модели Дирдорфу потребовалось весьма большое количество машинного времени на одной из самых современых ЭВМ.
Для того, чтобы разобраться в причинно-следственных связях сложной и громоздкой модели, необходимо большое число численных экспериментов с различными значениями входных параметров и детальное сравнение результатов.
Варьируя краевые условия и способ нормирования исследуемых характеристик, Дирдорф проанализировал некоторые типичные ситуации,
7
- Киев+380960830922