Общая информация  Сотрудники  Научные направления  Семинар  Проекты  Публикации  Ссылки  Партнеры

Мезомасштабные атмосферные процессы. Мезомасштабными процессами в атмосфере называют такие процессы, горизонтальный масштаб которых находится в приблизительном интервале 10 - 1000 км (Вельтищев, 1988). К этим процессам относятся бризы, фены, бора, горно-долинные циркуляции, линии шквалов, мезоциклоны, мезомасштабные конвективные комплексы (МКК), конвективные ячейки и ряд других явлений. Часть этих явлений (линии шквалов, МКК, мезоциклоны) представляют серьезную опасность для хозяйственной инфраструктуры и нередко вызывают человеческие жертвы. В частности, в мезоциклонах, которые развиваются преимущественно над акваториями океанов, часто наблюдаются ураганный ветер и ливневые осадки, которые, при выходе мезоциклона на побережье, приносят существенный экономический ущерб. С мезомасштабными конвективными комплексами, (возникают обычно летом), связано рождение торнадо со всеми вытекающими печальными последствиями.

Мезомасштабные циркуляции атмосферы вызываются двумя видами неоднородности подстилающей поверхности. Первый вид неоднородности - это орографическая неоднородность (рельеф). Орографической неоднородностью обусловлены, в частности, склоновые и горно-долинные ветры, фены (в т.ч. знаменитая бора), подветренные вихревые цепочки (Кармана) и подветренные роторы. Второй вид неоднородности подстилающей поверхности - термическая неоднородность. Термическая неоднородность обусловлена различием радиационных (альбедо), теплофизических (коэффициент теплопроводности, теплоемкость) и аэродинамических (шероховатость) характеристик между контрастными типами подстилающих поверхности. Эти различия вызывают разную скорость нагревания и охлаждения этих поверхностей в суточном ходе, и, как следствие, разную суточную амплитуду температуры поверхности. разность температуры между соседними участками поверхности вызывает неоднородный нагрев нижней тропосферы, который инициирует развитие мезомасштабных циркуляций. Классическим примером мезомасштабной циркуляции, развивающейся над термически неоднородной подстилающей поверхностью, является бризовая циркуляция (или просто бриз). Как известно, бриз возникает на границе раздела «суша - море», а также вдоль береговой линии крупных внутренних водоемов и рек. Среди других циркуляций, вызванных термической неоднородностью, выделяют «городской бриз», связанный с городским «островом тепла», а также циркуляцию на границе «лес - поле».

Мезомасштабные модели атмосферы. Несомненное практическое значение прогноза мезомасштабных процессов вызвало бурное развитие мезомасштабных численных моделей. Однако применение мезомасштабных моделей не ограничивается задачей прогноза погоды: они широко используются в исследовательских работах, расчетах переноса загрязнений, а также как средство регионализации климатических прогнозов.

Мезомасштабные численные модели основаны на решении системы уравнений гидротермодинамики для ограниченной территории (как правило, размер области интегрирования таких моделей составляет несколько сотен километров по горизонтали и около 10 км по вертикали). Кроме динамических и термодинамических процессов, явно разрешаемых на конечно-разностной сетке модели, учитываются также процессы с характерными размерами, меньшими шага сетки (это так называемые подсеточные процессы). Способы учета подобных процессов получили название параметризаций. Так, существуют параметризации радиационных процессов (описывающие рассеяние, поглощение, излучение радиации в атмосфере), турбулентности, процессов облакообразования, формирования и выпадения осадков, тепловлагообмена в почве и растительном покрове и др. Отличительной чертой параметризаций является их приближенность, вплоть до того, что часть участвующих в них коэффициентов носит «подгоночный» характер.

Одним из важных применений мезомасштабных моделей является разработка параметризаций для моделей общей циркуляции атмосферы (МОЦА). В самом деле, размер конечно-разностных ячеек ведущих МОЦА составляют на современном этапе величину порядка 100 км. На сетке, состоящей из ячеек такого размера, невозможно явно описать мезомасштабные процессы, поэтому их необходимо каким-то образом параметризовывать. Соответствующие параметризации (Lynn et al., 1995) включают в себя ряд параметров, который может быть рассчитан в рамках МОЦА ¹, и по значениям этих параметров вычисляется эффект мезомасштабных циркуляций (так называемые мезомасштабные потоки тепла, влаги и количества движения) на общую циркуляцию атмосферы. Конкретная же зависимость мезомасштабных потоков от упомянутых параметров может быть получена на основе численных экспериментов с мезомасштабной моделью. «На входе» в этих экспериментах задаются различные значения параметров крупномасштабного потока, затем модель рассчитывает мезомасштабные течения (бризы, склоновые ветры и др.), возникающие на данной территории, и «на выходе» выдает величины мезомасштабных потоков. Таким образом, устанавливается искомая связь выбранных параметров с мезомасштабными потоками, то есть параметризация.

Мезомасштабная атмосферная модель NH3d. В лаборатории суперкомпьютерного моделирования природно-климатических процессов НИВЦ МГУ развивается мезомасштабная численная модель атмосферы NH3d. Эта модель была предложена П.М. Мирандой (Miranda, 1990) (гиперссылка) в Университете г. Рединга (Великобритания), впоследствии развивалась в Лиссабонском Университете, а также в Университете г. Тарту (Эстония). Изначально модель создавалась для решения конкретной задачи воспроизведения обтекания горного препятствия воздушным потоком. Однако последующие приложения потребовали совершенствования исходного кода модели: в частности, была включена (Teixeira and Miranda, 1997) параметризация процессов испарения/конденсации влаги и выпадения жидких осадков.

Численное моделирование мезомасштабных циркуляций над термически неоднородной поверхностью. Данная задача востребована во многих приложениях, начиная от локального прогноза погоды и сценарных расчетов переноса примесей в пограничном слое атмосферы (ПСА) и кончая разработкой параметризаций мезомасштабных потоков в МОЦА. На стадии тестовых расчетов с моделью NH3d, проведенных в рамках рассматриваемой задачи, стало ясно, что используемая в модели параметризация тепловлагопереноса в почве недостаточна для адекватного воспроизведения температурной неоднородности подстилающей поверхности. В частности, в ней отсутствовал блок расчета термического режима водных объектов суши. Это является существенным недостатком, поскольку известно, что именно водные объекты являются наиболее ярко выраженными тепловыми «пятнами» на поверхности суши.

В модель NH3d была включена одномерная термодинамическая модель водоема и нижележащего слоя грунта LAKE  (Степаненко и Лыкосов, 2005), а также аналогичная модель Немецкой службы погоды FLAKE (Mironov, 2005) ². Таким образом, в новой версии модели появилась возможность рассчитывать термический режим водоемов на исследуемой территории, и, следовательно, циркуляции бризового типа в атмосфере. На рис.1 изображен пример расчета поля горизонтальной скорости ветра над крупным озером.

Рис. 1. Приземный бриз над крупным озером. Озеро показано синей фигурой в центре.

Ось X направлена с запада на восток, ось Y - с юга на север.

По форме данное озеро представляет собой эллипс с полуосями длиной 70 и 40 км, и по размерам приблизительно соответствует Чудскому озеру или Рыбинскому водохранилищу. На рисунке изображен дневной бриз - ветер, направленный с озера на сушу. Конечно, данная ситуация представляет собой идеализацию реального распределения озер по поверхности Земли. Поэтому, чтобы оценить способность NH3d описывать атмосферную циркуляцию над реальной территорией, был проведен аналогичный численный эксперимент для участка территории Западной Сибири (рис. 2). Данный район был выбран в связи с тем, что на его поверхности находится большое количество озер, и, предположительно, должно развиваться соответствующее количество бризовых циркуляций. И, в самом деле, на рис. 3 можно видеть несколько бризовых циркуляционных ячеек, возникающих, по данным расчетов, над выбранным участком поверхности. Такие циркуляции должны вызывать существенное перемешивание ПСА по вертикали и горизонтали, приводя тем самым к переносу атмосферных примесей от источников эмиссии ³. На настоящий момент мы не располагаем данными измерений в рассматриваемом районе, однако результаты измерений в других регионах, в частности в Восточной Сибири (Струнин, 2006), косвенно подтверждают реальность полученных картин циркуляции.

Рис. 2. Участок Западно-Сибирской низменности (54.5-58.6° с.ш., 63.1-66.6 ° в.д.). Синим цветом изображены водоемы и переувлажненные территории. В зелено-коричневой шкале показаны абсолютные высоты местности.

Оси X и Y те же, что и на рис. 1.

Рис. 3. Бризовые циркуляции в вертикальной плоскости Y = 0 над участком земной поверхности, показанным на рис. 2. Цветом изображено поле компоненты скорости ветра вдоль оси X. Оси X и Y те же, что и на рис. 1, ось Z направлена от земной поверхности вверх.

Использование NH3d в учебном процессе МГУ. Мезомасштабная численная модель NH3d используется в учебном процессе на факультете ВМиК и географическом факультете МГУ. Для будущих специалистов-вычислителей данная модель представляет интерес с точки зрения совершенствования используемых численных схем, оптимизации и распараллеливания ⁴ алгоритма программы. Эти задачи решаются в рамках курсовых работ студентов кафедры вычислительных технологий и моделирования факультета ВМиК. Студентам-географам (в первую очередь, метеорологам) данная модель полезна для изучения физических механизмов, приводящих к возникновению мезомасштабных течений, а также для иллюстрации специфики их развития в различных географических условиях. Модель NH3d используется в качестве «теоретической» компоненты в полевых экспедициях научного студенческого общества кафедры метеорологии МГУ, а также в производственных практиках студентов старших курсов.

Литература.

1. Н.Ф. Вельтищев. Мезометеорология и краткосрочное прогнозирование. - Сб. лекций, Женева, 1988, стр. 136 с.

2. В.М. Степаненко, В.Н. Лыкосов. Численное моделирование процессов тепловлагопереноса в системе водоем - грунт. - Метеорология и гидрология, 2005, №3, стр. 95 - 104.

3. М.А. Струнин. Турбулентность и турбулентный обмен в пограничном слое атмосферы над неоднородной поверхностью. - Автореф. на соиск. ст. д. ф.-м. н., Москва, 2006, 42 с.

3. B.H. Lynn, F. Abramopoulos, R. Avissar. Using Similarity Theory to Parameterize Mesoscale Heat Fluxes Generated by Subgrid-Scale Landscape Discontinuities in GCMs. - J. of Climate, 2005, Vol. 8, pp. 932 - 951.

4. P.M. Miranda. Gravity Waves and Wave Drag in Flow Past Three-dimensional Isolated Mountains.- Phd Thesis, University of Reading, 1990, 191 pp.

5. D.V. Mironov. 2005. Parameterization of lakes in numerical weather prediction. Part 1: Description of a lake model. - German Weather Service, Offenbach am Main, Germany, 41 pp. (available from the author, dmitrii.mironov@dwd.de)

6. M.A. Teixeira, P.M. Miranda. The introduction of warm rain microphysics in the NH3d atmospheric model. - Technical report, University of Lisbon, 1997, pp. 22.

¹ Среди этих параметров, прежде всего, должны фигурировать характеристики крупномасштабного потока, как-то: температура, скорость ветра, влажность воздуха и т.д., рассчитанные в узлах сетки МОЦА

² В действительности, эти модели существенно отличаются способом описания термодинамики водоема, однако в рассматриваемом контексте это не имеет принципиального значения.

³ Источники эмиссии могут возникать, например, в местах добычи нефти и газа в результате сопутствующего сжигания остаточных продуктов (факелы).

⁴ Распараллеливание модели является необходимым условием ее использования во многих приложениях, поскольку в исходном, последовательном варианте, код модели слишком «тяжел» для однопроцессорных ЭВМ.