Генерация турбулентности в бризовой циркуляции
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ БРИЗОВОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ 5
1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕОРИИ БРИЗОВОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ 5
1.2 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОРСКОГО БРИЗА 8
ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ 10
2.1 СИСТЕМА КООРДИНАТ 10
2.2 СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ 12
2.3 ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТУРБУЛЕНТНОСТИ 18
2.5 МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ 27
2.6 РЕЛАКСАЦИЯ БОКОВЫХ ГРАНИЦ 32
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА 34
3.1 ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ 34
3.2 ЭВОЛЮЦИЯ БРИЗОВОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ 35
3.3 ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПРОФИЛИ 42
Сухопутная граница 42
Центр сухопутной области 52
Морская граница 61
Центр морской области 65
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ 77
ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ БРИЗОВОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ 5
1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕОРИИ БРИЗОВОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ 5
1.2 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОРСКОГО БРИЗА 8
ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ 10
2.1 СИСТЕМА КООРДИНАТ 10
2.2 СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ 12
2.3 ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТУРБУЛЕНТНОСТИ 18
2.5 МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ 27
2.6 РЕЛАКСАЦИЯ БОКОВЫХ ГРАНИЦ 32
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА 34
3.1 ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ 34
3.2 ЭВОЛЮЦИЯ БРИЗОВОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ 35
3.3 ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПРОФИЛИ 42
Сухопутная граница 42
Центр сухопутной области 52
Морская граница 61
Центр морской области 65
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ 77
В регионах с неоднородной подстилающей поверхностью, в частности в прибрежных районах, наблюдаются мезомасштабные явления, вызванных тепловыми контрастами между поверхностями с разными физическими свойствами.
Согласно общепринятой теории циркуляции в прибрежных районах может наблюдаться локальная циркуляция, которая получила название бризовой. Данный тип циркуляции происходит в вертикальной плоскости и формируется вследствие температурной разницы над различными типами подстилающей поверхности (суша/вода, в отдельных случаях суша/лед).
Так как данная циркуляция происходит на малых горизонтальных масштабах (1-10 км) и при этом потоки воздуха регулярно меняют направление, то, очевидно, в районах бризовой циркуляции сдвиг скорости отличается от поворота ветра в пограничном слое. Дополнительный и не менее важный фактор - сила плавучести, который формируется из-за горизонтальной неоднородности.
Оперативные данные и реанализ не позволяют обособить процесс развития и структуру бриза для отдельных морей из -за масштаба явления, а потому на сегодняшний день главным способом изучения бризовой циркуляции является численное моделирование с высоким пространственным разрешением.
Значимость изучения развития бризовой циркуляция, ее характеристик и структуры обусловлена тем, что в прибрежных районах погода формируется в том числе под влиянием бриза. Некоторые процессы, такие как распространение примесей, испытывают воздействие бризовой циркуляции. Кроме того метеорологические параметры вблизи береговой линии могу меняться достаточно резко и, что так же важно, циклично. В прибрежных зонах этот вид циркуляции оказывает влияние на хозяйственную деятельность человека. Судоходство, ветряные электростанции, полеты малой авиации.
Целью работы является оценка вклада бризовой циркуляции в турбулентный режим планетарного пограничного слоя.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Модифицировать численную модель, с помощью которой можно воспроизвести развитие бризовой циркуляции внутри горизонтально- однородного пограничного слоя, то есть:
• Выбрать уравнений для параметризации коэффициентов турбулентности;
• Определить граничные и начальные условия вышеупомянутых уравнений;
• Имплементация расчета метеорологических параметров для горизонтально-неоднородного пограничного слоя;
• Релаксация значений температуры и вихря на боковых границах области интегрирования
2. Провести эксперимент в рамках которого будут получены
пространственно-временные распределения полей основных метеорологических характеристик.
3. Построить осредненные вертикальные профили метеорологических характеристик с учетом и без горизонтальной неоднородности.
4. Оценить влияние кинетической энергии формируемой за счет бризовой циркуляции на метеорологические параметры в пределах горизонтально неоднородного пограничного слоя.
Согласно общепринятой теории циркуляции в прибрежных районах может наблюдаться локальная циркуляция, которая получила название бризовой. Данный тип циркуляции происходит в вертикальной плоскости и формируется вследствие температурной разницы над различными типами подстилающей поверхности (суша/вода, в отдельных случаях суша/лед).
Так как данная циркуляция происходит на малых горизонтальных масштабах (1-10 км) и при этом потоки воздуха регулярно меняют направление, то, очевидно, в районах бризовой циркуляции сдвиг скорости отличается от поворота ветра в пограничном слое. Дополнительный и не менее важный фактор - сила плавучести, который формируется из-за горизонтальной неоднородности.
Оперативные данные и реанализ не позволяют обособить процесс развития и структуру бриза для отдельных морей из -за масштаба явления, а потому на сегодняшний день главным способом изучения бризовой циркуляции является численное моделирование с высоким пространственным разрешением.
Значимость изучения развития бризовой циркуляция, ее характеристик и структуры обусловлена тем, что в прибрежных районах погода формируется в том числе под влиянием бриза. Некоторые процессы, такие как распространение примесей, испытывают воздействие бризовой циркуляции. Кроме того метеорологические параметры вблизи береговой линии могу меняться достаточно резко и, что так же важно, циклично. В прибрежных зонах этот вид циркуляции оказывает влияние на хозяйственную деятельность человека. Судоходство, ветряные электростанции, полеты малой авиации.
Целью работы является оценка вклада бризовой циркуляции в турбулентный режим планетарного пограничного слоя.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Модифицировать численную модель, с помощью которой можно воспроизвести развитие бризовой циркуляции внутри горизонтально- однородного пограничного слоя, то есть:
• Выбрать уравнений для параметризации коэффициентов турбулентности;
• Определить граничные и начальные условия вышеупомянутых уравнений;
• Имплементация расчета метеорологических параметров для горизонтально-неоднородного пограничного слоя;
• Релаксация значений температуры и вихря на боковых границах области интегрирования
2. Провести эксперимент в рамках которого будут получены
пространственно-временные распределения полей основных метеорологических характеристик.
3. Построить осредненные вертикальные профили метеорологических характеристик с учетом и без горизонтальной неоднородности.
4. Оценить влияние кинетической энергии формируемой за счет бризовой циркуляции на метеорологические параметры в пределах горизонтально неоднородного пограничного слоя.
Была модифицирована мезомасштабная негидростатическая двумерная модель морского бриза, путем параметризации коэффициентов турбулентности через введение расчета кинетической энергии турбулентности. Был введен расчет изолированной горизонтально - однородной модели на границах области интегрирования для имитации перехода в однородной подстилающей поверхности.
Составлен обширный архив пространственно-временного распределения полей метеорологических характеристик и характеристик потока, а также их графическое отображение.
Имплементирован алгоритм осреднения вышеупомянутых полей по времени, позволяющий исключить отдельные мгновенные колебания величин, и тем самым позволяющий производить содержательный анализ графической информации.
Модифицированная и переработанная модель дает хорошие результаты пространственно-временного распределения характеристик потока. Таким образом использование кинетической энергии турбулентности для параметризации коэффициентов можно считать оправданным.
Включение в модель некоторых физических процессов позволило получить достаточно достоверные результаты. Тем не менее рекомендуется так же расширить возможный перечень параметров подлежащих прогнозу и использованию в качестве диагностических величин (например, турбулентный перенос влаги).
Вертикальное распределение кинетической энергии турбулентности в области, подверженной такому явлению как бриз, в значительной степени отличается от поведения турбулентности над горизонтально-однородной поверхностью. На протяжении длительных периодов времени турбулентность может усиливаться бризом пятикратно и при этом сохранять высокие значения даже после прекращения прогрева подстилающей поверхности. Наибольшие различия наблюдаются на высотах 1200-1500 м. Особенно это заметно для морской области. Вблизи земной поверхность охлаждение воздуха может достигать 2,5 С. Выше 600 м, напротив, нагревание до 2 С.
Взаимосвязь между вертикальным распределением температуры и интенсивностью турбулентного перемешивания (численной мерой которой можно считать и кинетическую энергию турбулентности), особенно заметна на тех же высотах 1200-1500 м.
Замечены закономерности в наступлении максимальных значений кинетической энергии турбулентности в зависимости от удаленности от береговой линии, что является следствием характерной для бриза структуры (в частности бризовым фронтом).
Подводя итоги, можно сказать, что модифицированная модель может быть для изучения не только основных характеристик бризовой циркуляции (например, потенциальной температуры), но и специфических скалярных величин (например, кинетической энергии турбулентности). Кроме того внедрение изолированного горизонтально-однородного слоя можно считать успешным и оправданным. Таким образом, показана перспективность расширения возможностей данной модели. Например, введение специфических характеристик береговой линии или добавление в расчеты скоростей и направления ветров крупномасштабных синоптических процессов, позволит адаптировать данную модель для изучения атмосферной циркуляции в целом и бриза в частности для конкретных регионов.
Составлен обширный архив пространственно-временного распределения полей метеорологических характеристик и характеристик потока, а также их графическое отображение.
Имплементирован алгоритм осреднения вышеупомянутых полей по времени, позволяющий исключить отдельные мгновенные колебания величин, и тем самым позволяющий производить содержательный анализ графической информации.
Модифицированная и переработанная модель дает хорошие результаты пространственно-временного распределения характеристик потока. Таким образом использование кинетической энергии турбулентности для параметризации коэффициентов можно считать оправданным.
Включение в модель некоторых физических процессов позволило получить достаточно достоверные результаты. Тем не менее рекомендуется так же расширить возможный перечень параметров подлежащих прогнозу и использованию в качестве диагностических величин (например, турбулентный перенос влаги).
Вертикальное распределение кинетической энергии турбулентности в области, подверженной такому явлению как бриз, в значительной степени отличается от поведения турбулентности над горизонтально-однородной поверхностью. На протяжении длительных периодов времени турбулентность может усиливаться бризом пятикратно и при этом сохранять высокие значения даже после прекращения прогрева подстилающей поверхности. Наибольшие различия наблюдаются на высотах 1200-1500 м. Особенно это заметно для морской области. Вблизи земной поверхность охлаждение воздуха может достигать 2,5 С. Выше 600 м, напротив, нагревание до 2 С.
Взаимосвязь между вертикальным распределением температуры и интенсивностью турбулентного перемешивания (численной мерой которой можно считать и кинетическую энергию турбулентности), особенно заметна на тех же высотах 1200-1500 м.
Замечены закономерности в наступлении максимальных значений кинетической энергии турбулентности в зависимости от удаленности от береговой линии, что является следствием характерной для бриза структуры (в частности бризовым фронтом).
Подводя итоги, можно сказать, что модифицированная модель может быть для изучения не только основных характеристик бризовой циркуляции (например, потенциальной температуры), но и специфических скалярных величин (например, кинетической энергии турбулентности). Кроме того внедрение изолированного горизонтально-однородного слоя можно считать успешным и оправданным. Таким образом, показана перспективность расширения возможностей данной модели. Например, введение специфических характеристик береговой линии или добавление в расчеты скоростей и направления ветров крупномасштабных синоптических процессов, позволит адаптировать данную модель для изучения атмосферной циркуляции в целом и бриза в частности для конкретных регионов.