Гидродинамическое моделирование новороссийской боры и связанных с ней метеорологических условий
|
Введение 4
1 Краткая история развития моделирования природных процессов 8
2 Современные прогностические модели 11
3 Мезомасштабные атмосферные процессы 14
3.1 Местные циркуляции 16
3.2 Бора 20
3.3 Новороссийская бора 23
3.4 Певекский южак 28
4 Мезомасштабные атмосферные модели 31
4.1 Модель WRF 33
4.2 WRF-ARW 34
5 Описание численных экспериментов 41
5.1 Выбор конфигурации модели 41
5.2 Описание численных экспериментов по моделированию
новороссийской боры 44
5.2.1 Бора 06-08 февраля 2012 года 49
5.2.2 Бора 10-12 марта 2021 года 68
5.2.3 Бора 28-30 сентября - 01 октября 2021 79
5.3 Описание численных экспериментов по моделированию
певекского южака 88
5.3.1 Южак 14-16 марта 2006 91
5.3.2 Южак 06-07 января 2015 100
5.3.3 Южак 16-19 ноября 2021 109
5.4 Общие и отличные черты новороссийской боры и певекского
южака 119
Заключение 124
Список использованных источников 127
1 Краткая история развития моделирования природных процессов 8
2 Современные прогностические модели 11
3 Мезомасштабные атмосферные процессы 14
3.1 Местные циркуляции 16
3.2 Бора 20
3.3 Новороссийская бора 23
3.4 Певекский южак 28
4 Мезомасштабные атмосферные модели 31
4.1 Модель WRF 33
4.2 WRF-ARW 34
5 Описание численных экспериментов 41
5.1 Выбор конфигурации модели 41
5.2 Описание численных экспериментов по моделированию
новороссийской боры 44
5.2.1 Бора 06-08 февраля 2012 года 49
5.2.2 Бора 10-12 марта 2021 года 68
5.2.3 Бора 28-30 сентября - 01 октября 2021 79
5.3 Описание численных экспериментов по моделированию
певекского южака 88
5.3.1 Южак 14-16 марта 2006 91
5.3.2 Южак 06-07 января 2015 100
5.3.3 Южак 16-19 ноября 2021 109
5.4 Общие и отличные черты новороссийской боры и певекского
южака 119
Заключение 124
Список использованных источников 127
Заблаговременный и точный прогноз погоды очень важен практически во всех сферах человеческой деятельности. Так, например, в авиации, в агро индустрии, в морском деле, в дорожно-транспортной области, а также, конечно, простым гражданам для решения свои вопросов. Поэтому прогноз погоды волнует людей уже очень много столетий. Первые упоминания о «метеорологии» встречаются в работах таких древнегреческих философов, как Платон и Аристотель. Как самостоятельная наука, метеорология возникла в XVII после изобретения термометра и барометра. Далее были внедрены регулярные наблюдения за погодой. После наука начинает активно развиваться.
Сейчас же наука пришла к тому, что прогноз погоды, на несколько дней вперед для любой области мира за несколько минут может составить компьютер. Начался рассвет гидродинамического моделирования. То есть моделирования, основанного на решении гидродинамических уравнений, которые в свою очередь описывают все метеорологические процессы в атмосфере, от глобальных волн Россби до мелкомасштабных вихрей. Сейчас для каждого масштаба явления существуют свои модели. В данной работе особое внимание уделено мезомасштабной модели WRF-ARW, так как именно с её помощью производилось моделирование мезомасштабной местной циркуляции - бора. Бора - локальное явление, которое связано с общей циркуляцией атмосферы, но претерпевающее изменение под действием местной орографии. Поток воздуха при определенных синоптических обстоятельствах движется с холодного континента в сторону более теплого моря или другого крупного водоема. Встретив на пути препятствие в виде невысокого горного хребта, поток вынужден измениться. А именно поток сначала тормозится в подножья горы с наветренной стороны, а затем, переваливая через хребет, с огромной скоростью обрушивается с подветренной стороны. И если с подветренной стороны хребта располагается какой-либо населенный пункт, бора способна нанести ему большой экономический ущерб. Оборванные линии электропередач, поваленные деревья, сорванные рекламные щиты, сорванные с якорей корабли, выброшенные на берег морские лодки, завалены большие грузовые машины, в конце концов, люди, находившиеся во время боры на улице, могут получить серьезные травмы. Поэтому заблаговременный и с хорошей оправдываемостью прогноз очень важен для регионов, где это явление наблюдается. А именно в таких местах как: город Новороссийск, Певек, побережье Адриатического моря, побережье Байкала, город Баку, побережье Франции.
Объектом исследования этой работы является бора в городе Новороссийск и южак в Певеке. Само исследование, как было сказано выше, проводилось с помощью гидродинамической модели WRF-ARW версии 4.3.6. Город Новороссийск средних размеров по площади, численность города почти триста тысяч человек, город сейчас активно развивается, поэтому прогноз этого опасного явления очень актуален для города. Город Певек несколько меньше по площади и численность населения всего порядка пяти тысяч человек. Однако это город, который имеет на своей территории золотодобывающие предприятия, атомный плавучий электрический блок, а также морской арктический порт федерального значения, для нормального функционирования этих объектов также необходим заблаговременный и точный прогноз погоды и особенно сильного ветра - южака.
Также численное моделирование этих явлений позволит провести анализ их трёхмерной структуры, а это приблизит к пониманию возникновения этих явлений. Так как, на данный момент природа возникновения бороподобных ветров до конца так и не изучена.
Цель данной работы: исследовать особенности бороподобных ветров, выделить их сходные и различные черты и адаптировать гидродинамическую модель WRF-ARW для прогноза этих явлений.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1) Изучить историю исследования бороподобных ветров;
2) Изучить физику атмосферных процессов при боре, а также местные особенности новороссийской боры и певекского южака;
3) Выявить случаи боры в Новороссийске и южака в Певеке;
4) Адаптировать гидродинамическую мезомасштабную модель WRF- ARW к регионам исследования;
...
Сейчас же наука пришла к тому, что прогноз погоды, на несколько дней вперед для любой области мира за несколько минут может составить компьютер. Начался рассвет гидродинамического моделирования. То есть моделирования, основанного на решении гидродинамических уравнений, которые в свою очередь описывают все метеорологические процессы в атмосфере, от глобальных волн Россби до мелкомасштабных вихрей. Сейчас для каждого масштаба явления существуют свои модели. В данной работе особое внимание уделено мезомасштабной модели WRF-ARW, так как именно с её помощью производилось моделирование мезомасштабной местной циркуляции - бора. Бора - локальное явление, которое связано с общей циркуляцией атмосферы, но претерпевающее изменение под действием местной орографии. Поток воздуха при определенных синоптических обстоятельствах движется с холодного континента в сторону более теплого моря или другого крупного водоема. Встретив на пути препятствие в виде невысокого горного хребта, поток вынужден измениться. А именно поток сначала тормозится в подножья горы с наветренной стороны, а затем, переваливая через хребет, с огромной скоростью обрушивается с подветренной стороны. И если с подветренной стороны хребта располагается какой-либо населенный пункт, бора способна нанести ему большой экономический ущерб. Оборванные линии электропередач, поваленные деревья, сорванные рекламные щиты, сорванные с якорей корабли, выброшенные на берег морские лодки, завалены большие грузовые машины, в конце концов, люди, находившиеся во время боры на улице, могут получить серьезные травмы. Поэтому заблаговременный и с хорошей оправдываемостью прогноз очень важен для регионов, где это явление наблюдается. А именно в таких местах как: город Новороссийск, Певек, побережье Адриатического моря, побережье Байкала, город Баку, побережье Франции.
Объектом исследования этой работы является бора в городе Новороссийск и южак в Певеке. Само исследование, как было сказано выше, проводилось с помощью гидродинамической модели WRF-ARW версии 4.3.6. Город Новороссийск средних размеров по площади, численность города почти триста тысяч человек, город сейчас активно развивается, поэтому прогноз этого опасного явления очень актуален для города. Город Певек несколько меньше по площади и численность населения всего порядка пяти тысяч человек. Однако это город, который имеет на своей территории золотодобывающие предприятия, атомный плавучий электрический блок, а также морской арктический порт федерального значения, для нормального функционирования этих объектов также необходим заблаговременный и точный прогноз погоды и особенно сильного ветра - южака.
Также численное моделирование этих явлений позволит провести анализ их трёхмерной структуры, а это приблизит к пониманию возникновения этих явлений. Так как, на данный момент природа возникновения бороподобных ветров до конца так и не изучена.
Цель данной работы: исследовать особенности бороподобных ветров, выделить их сходные и различные черты и адаптировать гидродинамическую модель WRF-ARW для прогноза этих явлений.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1) Изучить историю исследования бороподобных ветров;
2) Изучить физику атмосферных процессов при боре, а также местные особенности новороссийской боры и певекского южака;
3) Выявить случаи боры в Новороссийске и южака в Певеке;
4) Адаптировать гидродинамическую мезомасштабную модель WRF- ARW к регионам исследования;
...
Иметь возможность создать модель какого-либо предмета, явления или процесса - очень важное и крайне полезное действие. Сейчас математическое моделирование применяется во многих сферах человеческой деятельности. От моделирования поведения людей в различных ситуациях до моделирования атома. В метеорологию математическое моделирование пришло в 50-ых годах XX века, что было связано с развитием вычислительной математики и эволюцией электронно-вычислительной техники. Сейчас вся метеорология неразрывно связана с математическим моделированием, так как именно сложные математические расчеты позволяют давать наиболее благоприятный и заблаговременный прогноз погоды.
Данная работа посвящена мезомасштабному метеорологическому явлению - бора. Бора - это сильный порывистый ветер, способный наносить огромный экономический ущерб и даже приводить к человеческим жертвам. Из чего ясно, что точный и заблаговременный прогноз этого явления очень важен. Возможны разные подходы к прогнозу этого явления, однако самым эффективным является гидродинамический прогноз с помощью модели погоды. В данной работе использовалась модель WRF-ARW с тремя вложенными сетками, заблаговременность каждого прогноза была 24 часа. Эту модель можно использовать для прогноза погоды или какого-либо явления, а также для научного исследования, так как результаты моделирования позволяют увидеть более полную картину пространственного распределения метеорологических величин.
Бора наблюдается во многих регионах мира, в данной работе были исследованы (промоделированы, визуализированы и проанализированы) поля метеорологических величин для боры в Новороссийске и южака (боры) в Певеке. Подробно были проанализированы пять случаев для каждого города, в работе представлены результаты моделирования для трёх случаев.
С помощью модели WRF-ARW и визуализатора данных GrADS в работе представлены смоделированные поля скорости ветра и температуры воздуха для трех сеток с разным пространственным разрешением, а также построены профили скорости ветра, температуры воздуха и вертикальной компоненты скорости ветра.
Проанализировав данные, сначала всех случаев боры в Новороссийске, было выявлено, что модель данной конфигурации в этом районе довольно хорошо воспроизводит столь тонкую пространственную структуру боры. Модель верно моделирует горизонтальный и вертикальный масштаб явления, что видно на визуализированных рисунках пространственной структуры и построенных профилях метеорологических величин. Модель правильно воспроизводит усиление потока ветра на подветренной стороне Маркотхского хребта и в это же время сильное падение температуры в самом городе Новороссийск. Всё это характерно для боры на черноморском побережье. Те же метеорологические величины были проанализированы для южака в Певеке. Певекский южака модель данной конфигурации также воспроизвела довольно точно. На подветренной стороне отмечается усиление потока, а на наветренной его блокирование. В отличие от боры в Новороссийске в Певеке при действии южака происходит увеличение температуры воздуха. А также было выявлено, что во время певекского южака сильной и выраженной инверсии температуры нет, в отличие от боры в Новороссийске. А это в свою очередь не согласуется с гидравлической теорией развития боры, но не противоречит волновой. Однако в данной работе не было цели, определить к какой гипотезе относятся эти ветра.
Несмотря на то, что метеорология шагнула далеко вперед в изучении и прогнозировании явлений, всё же остаются пробелы, которые еще только должны будут решить ученные. Бора это явление, которое было обнаружено очень давно и во многих регионах мира. Однако единственно верной теории возникновения этого явления до сих пор не выявлено.
Данная работа посвящена мезомасштабному метеорологическому явлению - бора. Бора - это сильный порывистый ветер, способный наносить огромный экономический ущерб и даже приводить к человеческим жертвам. Из чего ясно, что точный и заблаговременный прогноз этого явления очень важен. Возможны разные подходы к прогнозу этого явления, однако самым эффективным является гидродинамический прогноз с помощью модели погоды. В данной работе использовалась модель WRF-ARW с тремя вложенными сетками, заблаговременность каждого прогноза была 24 часа. Эту модель можно использовать для прогноза погоды или какого-либо явления, а также для научного исследования, так как результаты моделирования позволяют увидеть более полную картину пространственного распределения метеорологических величин.
Бора наблюдается во многих регионах мира, в данной работе были исследованы (промоделированы, визуализированы и проанализированы) поля метеорологических величин для боры в Новороссийске и южака (боры) в Певеке. Подробно были проанализированы пять случаев для каждого города, в работе представлены результаты моделирования для трёх случаев.
С помощью модели WRF-ARW и визуализатора данных GrADS в работе представлены смоделированные поля скорости ветра и температуры воздуха для трех сеток с разным пространственным разрешением, а также построены профили скорости ветра, температуры воздуха и вертикальной компоненты скорости ветра.
Проанализировав данные, сначала всех случаев боры в Новороссийске, было выявлено, что модель данной конфигурации в этом районе довольно хорошо воспроизводит столь тонкую пространственную структуру боры. Модель верно моделирует горизонтальный и вертикальный масштаб явления, что видно на визуализированных рисунках пространственной структуры и построенных профилях метеорологических величин. Модель правильно воспроизводит усиление потока ветра на подветренной стороне Маркотхского хребта и в это же время сильное падение температуры в самом городе Новороссийск. Всё это характерно для боры на черноморском побережье. Те же метеорологические величины были проанализированы для южака в Певеке. Певекский южака модель данной конфигурации также воспроизвела довольно точно. На подветренной стороне отмечается усиление потока, а на наветренной его блокирование. В отличие от боры в Новороссийске в Певеке при действии южака происходит увеличение температуры воздуха. А также было выявлено, что во время певекского южака сильной и выраженной инверсии температуры нет, в отличие от боры в Новороссийске. А это в свою очередь не согласуется с гидравлической теорией развития боры, но не противоречит волновой. Однако в данной работе не было цели, определить к какой гипотезе относятся эти ветра.
Несмотря на то, что метеорология шагнула далеко вперед в изучении и прогнозировании явлений, всё же остаются пробелы, которые еще только должны будут решить ученные. Бора это явление, которое было обнаружено очень давно и во многих регионах мира. Однако единственно верной теории возникновения этого явления до сих пор не выявлено.
