Двумерная модель мезомасштабных процессов в нижнем слое атмосферы с учетом неоднородности температуры и влажности воздуха
Автор: Шварц Константин Григорьевич, Шварц Юлия Анатольевна, Шкляев Владимир Александрович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.8, 2015 года.
Бесплатный доступ
С помощью новой двумерной модели мезомасштабных процессов оценивается влияние неоднородности температуры и влажности на образование вихревых структур в нижнем слое атмосферы. Вывод модели осуществляется на основе локально-равновесного подхода путем усреднения поперек слоя исходных трехмерных уравнений, описывающих мезомасштабные атмосферные процессы. Для замыкания системы, заключающегося в определении нелинейных слагаемых и значений на границах полей скорости, температуры и влажности через усредненные поля, используется точное решение исходной задачи, описывающее однородное по горизонтальным координатам течение. Это решение находится для бесконечного горизонтального вращающегося слоя в предположении несжимаемости воздуха в нижнем слое атмосферы и линейного распределения температуры и влажности подстилающей поверхности. Численные расчеты проводились методом сеток с помощью явной конечно-разностной схемы на сетке 200×200 узлов. Рассматривалась площадка 40 на 40 километров в северо-западной части города Перми и прилежащих окрестностях. Расчеты показали, что на фоне значительных горизонтальных градиентов температуры воздуха и влажности в нижнем слое атмосферы возникают вихревые структуры с вертикальной осью вращения. Появление вихревых структур обуславливается также конфигурацией зон значительных градиентов и их расположением относительно движущегося воздуха.
Моделирование пограничного слоя атмосферы, неоднородность температуры и влажности, численные расчеты
Короткий адрес: https://sciup.org/14320752
IDR: 14320752 | УДК: 504.3.054:551.5 | DOI: 10.7242/1999-6691/2015.8.1.1
Two-dimensional model of mesoscale processes in the lower atmosphere with allowance for inhomogeneity of temperature and air humidity
A new two-dimensional model of mesoscale processes is used to estimate the influence of temperature and air humidity heterogeneities on the formation of vortex structures in the lower atmosphere. The model has been developed on the basis of the local equilibrium approach by averaging the original three-dimensional equations for mesoscale atmospheric processes across the layer. To close the system of equations, an exact solution of the original problem describing the flow homogeneous with respect to horizontal coordinates is applied. The closure consists in determining the nonlinear terms and the values at the boundaries of velocity, temperature and humidity fields via the averaged field. The solution is obtained for an infinite horizontal rotating layer under the assumption of air incompressibility in the lower atmosphere and linear distribution of the temperature and humidity of the underlying surface. Numerical calculations were performed using a grid method, in which an explicit finite difference scheme is applied to a grid of 200×200 nodes. Computations were carried out for the 40×40 km area in the North-Western part of the city of Perm and its immediate vicinity with account for the underlying surface roughness. It has been found that the vortex structure with a vertical axis of rotation arises at significant horizontal gradients of temperature and humidity in the lower atmosphere. The formation of vortex structures also depends on the configuration of the zones of significant gradients and their location relative to the moving air.
Список литературы Двумерная модель мезомасштабных процессов в нижнем слое атмосферы с учетом неоднородности температуры и влажности воздуха
- Атмосферная турбулентность и моделирование распространение примесей/Под ред. Ф.Т.М. Ньистадта, Х. Ван Допа. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985. -351 с.
- Бызова Н.Л., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1989. -264 с.
- Kalnay E. Atmospheric modeling, data assimilation and predictability. -Cambridge University Press, 2003. -341 p.
- Марчук Г.И., Пененко В.В., Алоян А.Е., Лазриев Г.Л. Численное моделирование микроклимата города//Метеорология и гидрология. -1979. -№ 8. -С. 5-15.
- Велтищева Н.С. Трехмерная негидростатическая модель для описания циркуляции над городским островом тепла//Труды Гидрометцентра СССР. -1979. -№ 219. -С. 66-82.
- Берлянд М.Е., Зашихин М.Н. К теории антропогенного воздействия на локальные метеорологические процессы в городе//Метеорология и гидрология. -1982. -№ 2. -С. 5-16.
- Быкова Л.П. Численное моделирование бризовой циркуляции над городом с учетом процессов в слое шероховатости//Метеорология и гидрология. -1983. -№ 12. -С. 36-43.
- Тарнопольский А.Г., Шнайдман В.А. Моделирование пограничного слоя атмосферы для городской застройки и пригородной зоны//Метеорология и гидрология. -1991. -№ 1. -С. 41-47.
- Алоян А.Е. Динамика и кинематика газовых примесей и аэрозолей в атмосфере: Курс лекций. -М.: ИВМ РАН, 2002. -201 с.
- Пененко В.В., Цветова Е.А. Математические модели природоохранного прогнозирования//ПМТФ. -2007. -Т. 48, № 3. -С. 152-163.
- Аристов С.Н., Шварц К.Г. Вихревые течения в тонких слоях жидкости. -Киров: ВятГУ, 2011. -207 с.
- Шварц К.Г. Моделирование крупномасштабных и мезомасштабных процессов в бароклинной атмосфере и океане//Географический вестник. -2013. -№ 1 (24). -С. 72-77.
- Schwarz K.G. Mesa-scale flows over large city//Progress in Fluid Flow Research: Turbulence and Applied MHD/eds. H. Branover and Y. Unger. -AIAA Progr. Ser. -1998. -Vol. 182. -P. 271-279.
- Шатров А.В., Шварц К.Г. Численное моделирование атмосферных мезомасштабных процессов переноса примесей в окрестности города Кирова//Вычисл. мех. сплош. сред. -2010. -Т. 3, № 3. -С. 117-125.
- Шварц К.Г., Шкляев В.А. Численное моделирование атмосферных мезомасштабных процессов переноса многокомпонентной примеси при торфяном пожаре//Вычисл. мех. сплош. сред. -2012. -Т. 5, № 3. -С. 274-283.
- Шварц К.Г., Шкляев В.А. Методические подходы к созданию системы локального расчетного мониторинга атмосферных биоаэрозолей//Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края: Сб. науч. тр. -Пермь: Изд-во ПГНИУ, 2013. -№ 6. -С. 56-60.
- Педлоски Дж. Геофизическая гидродинамика. В 2-х томах. -М.: Мир, 1984. -398 с.; 416 с.
- Романова Е.Н., Мосолова Г.И., Береснева И.А. Микроклиматология и ее значение для сельского хозяйства -Л.: Гидрометеоиздат, 1983. -244 с.
- Шкляев В.А., Ермакова Л.Н., Шкляева Л.С. Исследование микроклимата города с целью оценки биометеорологических показателей селитебной территории//Географический вестник. -2010. -№ 3 (14). -С. 52-59.
- Гаврилов А.С. Математическое моделирование мезометеорологических процессов: Учеб. пособие. -Л.: Изд-во ЛПИ, 1988. -96 с.
- Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. -М.: Наука, 1965.-Часть I. -640 с.
- Шкляев В.А., Шкляева Л.С. Использование результатов наблюдений по температурному профилемеру для корректировки неблагоприятных метеорологических условий (НМУ)//Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: Труды II Всероссийской научной конференции с международным участием, Казань, 24-26 сентября 2013. -Т. II. -С. 151.
- Аристов С.Н., Фрик П.Г. Динамика крупномасштабных течений в тонких слоях жидкости: Препр./ИМСС УрО РАН. -Свердловск: УрО РАН СССР, 1987. -48 с.
- Аристов С.Н., Фрик П.Г. Крупномасштабная турбулентность в тонком слое неизотермической вращающейся жидкости//МЖГ. -1988. -№ 4. -С. 48-55.
