Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1: ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ, ОСНОВЫ И СВЯЗИ, ПО
КОТОРЫМ СТРОЯТСЯ ДАЛЬНЕЙШИЕ ПРОЦЕССЫ В ВПС 7
1.1 ДИНАМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВЕТРА И ВОЛН 7
1.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ р-ФУНКЦИИ 12
ГЛАВА 2: ОПИСАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ
ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРИВОЛНОВОГО СЛОЯ
АТМОСФЕРЫ 17
2.1 ОСНОВНАЯ СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ МОДЕЛИ 17
2.2 СЕТКИ И ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ МОДЕЛИ 21
2.3 ПОДРОБНЫЙ АЛГОРИТМ РАСЧЕТА МОДЕЛИ 24
ГЛАВА 3: ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ОСНОВНЫМИ
ВЫВОДАМИ ПО ПОЛУЧЕННЫМ РЕЗУЛЬТАТАМ 27
3.1 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ОДНОМЕРНОЙ МОДЕЛИ ВПС 27
3.2 ВЫВОД 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 41
Приземный слой атмосферы - сравнительно тонкий, прилегающий к поверхности слой, толщиной в несколько десятков метров. Закономерности физических процессов, происходящих в приземном слое, во многом отличаются от таковых в других слоях атмосферы. Близость к подстилающей поверхности, местами неоднородной, сильно сказывается на метеорологических элементах, что претерпевают в приземном слое резкие изменения с высотой и во времени. Вертикальные градиенты метеорологических элементов в этом слое на один-два порядка выше, чем в других слоях атмосферы. Полагая горизонтальную квази-однородность, отсутствие вертикальных движений, а также близость подстилающей поверхности, происходит определение наиболее важной особенности этого слоя, а именно постоянство турбулентных потоков метеорологических величин во всей толще приземного слоя. На любой высоте эти потоки будут равны тем потокам, что сформировались в непосредственной близости к земной поверхности, то есть объявляется квази-стационарность слоя. Исходя из полученных свойств определяются функции распределения метеорологических элементов с высотой через теорию подобия для стратифицированного приземного слоя атмосферы Монина-Обухова.
Процессы турбулентного обмена в приземном слое имеют огромное влияние на большую часть жизни человека, его хозяйственную деятельность (сельское хозяйство, транспорт, теплоэнергетика и т.д.) и на растительный и животный мир Земли. Из формирующихся в приземном слое потоков тепла, водяного пара и количества движения, оказывается большое влияние: на температурный и ветровой режим других слоев атмосферы; на его собственные свойства, по которым определяется характер мезомасштабных процессов (конвекция, бризовая циркуляция), способность прогрева и насыщения воздуха влагой. Правильный учет и успешное прогнозирование со своевременной реакцией на неблагоприятные явления позволят избежать издержек и/или потерь в отрасли, что является целевым приоритетом в реализации прогнозов. А для достижения таких целей необходимы, например, модель планетарного пограничного слоя, где все члены уравнений, включая силу Кориолиса имеют в среднем один и тот же порядок величины, и нельзя ожидать, что структура пограничного слоя атмосферы может быть в каком -то смысле универсальной. Более того, пограничный слой атмосферы оказывается более сложным объектом, поскольку в нем постоянно присутствуют вертикальные потоки импульса, тепла и других субстанций, обеспечиваемые сдвиговой и конвективной турбулентностью. Тем не менее для ее работы требуются параметризации, в которых фигурирует приземный слой. Также для более локальных случаев прогноза подойдет скорее региональная ступенчатая модель, для которой приземный слой выступает в качестве нижнего граничного условия. Вот на столько сильно важен приземный слой.
Приземный слой атмосферы над морем или же волновой пограничный слой (далее ВПС) - нижняя часть пограничного слоя атмосферы, в котором перемешивание, создаваемое волновыми пульсациями, сравнимо по интенсивности с турбулентным обменом. Толщина ВПС имеет порядок характерной высоты волны (определяемой как осредненная высота 1/3 самых больших высот волн). В основной своей толще не отличается от приземного слоя атмосферы над сушей, поэтому к нему применяются алгоритмы, разработанные для приземного слоя над твёрдой поверхностью. При этом, однако, имеется существенное отличие - нижняя граница слоя оказывается движущейся и криволинейной. Учёт влияния волн на турбулентный обмен в волновом слое в современных моделях циркуляции атмосферы параметризуется путем изменения шероховатости поверхности в зависимости от динамического воздействия атмосферы.
...
В данной проделанной работе были использованы одномерная параметрическая модель волнового пограничного слоя и результаты модели прогноза ветровых волн WAVEWATCH III, которая тоже получала данные из модели WRF: полученная на их основе совместная модель, объединяет волновую динамику и динамику ВПС. В модели волнового пограничного слоя были произведены две модификации: пересчет скорости на верхней границе (с помощью значений скорости с первого сигма уровня модели WRF) для учета изменения суммарного турбулентного потока; разделение профиля ветра на соответствующие проекции х, у, дабы учитывать угол между направлением ветра и пиковой модой волны. Проводились эксперименты над разными двумерными волновыми спектрами в 10-ти различных (но близких точках в Балтийском море) с высотой волны от 0.1 - 4 м, дабы выявить наиболее показательные случаи, и показать необходимость учета ВПИ в моделях ВПС, а также показать необходимость совместного моделирования для наиболее достоверного описания ВПС.
По результатам третьей главы были оговорены важные выводы по проделанным экспериментам. Основной перечень таких умозаключений приведен далее:
- Произведена модификация одномерной модели приволнового слоя атмосферы, разработанная ранее Д.В. Чаликовым: произведена корректировка верхних граничных значений, разделена скорость ветра на две составляющие проекции по осям х, у;
- на основе параметрической модели ВПС и результатов данных системы прогноза ветровых волн (модели WRF/WAVEWATCH III), оказалось посильным произвести численные эксперименты в 10-ти точках Балтийского моря и оценить влияние волнового двумерного спектра на динамические характеристики ВПС;
- Оценен вклад, приносимым, ВПИ в суммарный турбулентный поток на динамические характеристики в ВПС, а именно скорость трения, также сказано о ее пропорциональной зависимости с потоками тепла и влаги и о дальнейшем введении стратификации в модель;
- Немного сказано про важность учета обратного возраста волны и его влияние на результаты вертикальных профилей потоков импульса и скорости ветра;
- Оговорено о важности включения ВПИ в различные прогностические модели, дабы улучшить их качество прогнозирования над различными акваториями.
