УДК 551.553.11.001.572(442.8)
Моделирование локальной атмосферной динамики в прибрежном регионе Дюнкерка
А. А. Соколов*, П. Огюстэн*, Е. В. Дмитриев**, Э. Дельбар*, Ш. Тальбо***, М. Фурмантэн*
Рассмотрена проблема модельного воспроизведения динамики мезомас-штабных процессов в нижней части тропосферы и переноса загрязняющих веществ в индустриальной прибрежной зоне Северного моря. Для проведения численных экспериментов использована трехмерная негидростатическая модель МЕ80-ЫН, разработанная Лабораторией аэрологии и Национальным центром метеорологических исследований (Франция). Помимо стандартной метеорологической информации, поступающей из сети автоматических станций наблюдений, для инициализации модели и последующей валидации результатов расчетов привлечены данные наземных систем дистанционных измерений (лидара и содара), полученные авторами в течение последних лет в ходе измерительных кампаний, проводимых в промышленной зоне г. Дюнкерк (северное побережье Франции). Рассмотрены разные сценарии индустриального загрязнения атмосферы и исследована структура морского бриза при помощи лагранжевых трассеров и обратных траекторий.
1. Исследуемый регион и измерения
Побережье Северного моря является густонаселенной территорией с большим числом крупных предприятий, интенсивно загрязняющих атмосферу. Так, в частности, в непосредственной близости от г. Дюнкерк (Франция) расположены морской порт, нефтеперерабатывающие предприятия "BP" и "TOTAL", а также предприятия компании "ArcelorMittal", являющейся мировым лидером в области металлопереработки. Локальная динамика атмосферы обусловлена как синоптическими атмосферными процессами, так и мезомасштабными явлениями, такими как морской бриз и бриз с суши, которые и определяют локальное распространение загрязняющих веществ [1, 7, 12, 13].
Для изучения влияния бризовой циркуляции на распространение загрязняющих веществ использованы данные измерений в 2003 г. сотрудниками Лаборатории физики и химии атмосферы Университета Литтораль (Франция). Были использованы доплеровский содар и ультрафиолетовый
* Университет Литтораль Опаловый Берег, Университет Лилля Северной Франции; e-mail: anton.sokolov@univ-littoral.fr, saa@isa.ru.
** Институт вычислительной математики Российской академии наук; e-mail: yegor@
inm.ras.ru.
*** ACRI, Франция.
лидар, размещенные на расстоянии 6 км от берега. Они работали практически непрерывно с 15 по 18 сентября, обеспечивая постоянное наблюдение за структурой нижней тропосферы и эволюцией пограничного слоя.
С помощью содара измерялись вертикальные распределения компонентов скорости ветра, а также их флуктуации. Полученные данные были усреднены с разрешением 25 м по вертикали, временное разрешение составляло 15 мин, максимальная высота измерений — 800 м. Время проведения содарных измерений было ограничено периодом с 12 до 20 ч ВСВ во избежание шума в жилых кварталах.
Лидар излучает в ультрафиолетовой части спектра и использует различие в поглощении разных слоев атмосферы на определенных частотах. Тип исследуемого загрязняющего вещества определяется различием в поглощении на двух разных частотах (для лазера с двумя длинами волн). Вариации лидарного сигнала дают качественную информацию о структуре и динамике нижней тропосферы за счет разной концентрации аэрозоля в разных слоях [1, 6].
Локальная неоднородность в распределении аэрозоля между двумя слоями приводит к изменению отраженного сигнала. Например, фронт морского бриза, соответствующий поверхности раздела между сухим и влажным воздухом, может быть легко обнаружен лидаром. Действительно, вследствие разной влажности морской и континентальной воздушных масс оптические свойства соответствующих аэрозолей различаются. Вертикальные производные лидарного сигнала, называемые здесь отрицательными вариациями лидарного сигнала (Negative Lidar Signal Variation, NLSV), используются для определения основных структур нижней тропосферы. Могут быть обнаружены следующие границы раздела:
- верхняя граница гравитационного тока (GC, gravity current — морская воздушная масса) и переходная зона атмосферного пограничного слоя (AABL, advected atmospheric boundary layer — континентальная воздушная масса);
- верхняя часть AABL и переходная зона свободной тропосферы (малая влажность и малое содержание аэрозоля) [11];
- верхняя часть бриз а с суши и морской пограничный слой, состоя -щий в данном случае из двух смежных слоев (SLL и SUL) [2].
Также были использованы данные измерений наземных сетей метеостанций ATMO Nord-Pas-de-Calais и Mеtеo-France. Наземные станции в исследуемом регионе находились в городах Сант-Поль-Сюр-Мер, Гравлин, Пети-Синт и в г. Дюнкерк в районе маяка. Лидар и содар были размещены в г. Пети-Синт (51,01° с. ш., 2,21° з. д.). На мет еостанциях измерялись скорость и направление ветра, температура и относительная влажность.
2. Параметры модели и ее проверка
Численная модель динамики атмосферы MESO-NH (http://mesonh.aero. obs-mip.fr/mesonh/) является негидростатической мезомасштабной моделью, разработанной французской национальной метеослужбой Меtео-France и Лабораторией аэрологии. Описание стандартной версии MESO-NH приводится в работе [10]. Модель использует явную по времени численную схему чехарда, как и большая часть моделей динамики атмо-
сферы, разработанных в 1990-х годах. Это жестко ограничивает максимальный шаг по времени при фиксированном пространственном разрешении (условие Куранта). Так, для модели с разрешением 2 км максимальный шаг по времени 8 с. В модели использованы эйлеровы схемы переноса 4-го порядка для компонентов скорости ветра и монотонная схема 3-го порядка для потенциальной температуры и концентрации трассеров.
Стандартная версия мезомасштабной модели включает следующие параметризации: численную схему поверхности ISBA [17], схему городской подстилающей поверхности, схему радиационного переноса Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) [14, 15], схему конвекции [3], одномерную схему турбулентности для метеорологических полей с низким пространственным разрешением, трехмерную схему и метод крупных вихрей (large-eddy simulation, LES) для модели с высоким разрешением [4, 5, 18].
Вход ны ми дан ны ми моде ли явля ют ся про гнос ти чес кие ве ли чи ны, инициализированные данными крупномасштабных моделей, такие как компоненты скорости ветра, потенциальная температура, давление, концентрация водяного пара и сконденсированной влаги. Для проведения экспериментов начальные и граничные условия, так же как и температура морской поверхности, были получены из архивов данных французской глобальной модели прогноза погоды ARPEGE/ALADIN.
Увеличение пространственного разрешения в рассматриваемом регионе производится последовательно посредством построения нескольких вложенных моделей [20]. Взаимодействие между вложенными моделями орга-ни зо ва но при помо щи буфер ной зоны. В дан ном слу чае чис лен ные экс пери мен ты про води лись с помощью трех вложен ных моде лей (рис. 1a) за период времени начиная с 12 ч ВСВ 15 сентября по 12 ч ВСВ 16 сентября.
Рис. 1. Схема вложенных моделей (a) и сравнение результатов моделирования (1) с данными наземных станций ATMO Nord-Pas-de-Calais (2) и Ме1ео-Ргаиее (5) для температуры воздуха (б) и горизонтальной составляющей скорости ветра (в).
Первая модель с низким пространственным разрешением 10 км охватывает территорию 450 км с запада на восток и 400 км с севера на юг: северную часть Франции, юго-восточную часть Англии и большую часть Бельгии. Вторая моделируемая область 120 х 120 км с разрешением 2 км приходится на французский регион Nord-Pas-de-Calais и примыкающую часть пролива Ла-Манш. Область с наибольшим пространственным разрешением (500 м) моделирует г. Дюнкерк на сетке 50 х 50 узлов с шагом по времени 2 с. Для этой области применяется трехмерная турбулентная схема, а для внешних моделей использовалась одномерная турбулентная схема. Более детальное описание выбранных регионов приведено в работе [21].
Вертикальная сетка с переменным шагом насчитывает 70 уровней (первый на высоте 5 м над уровнем моря) до высоты 12 000 м. Исследуемая область имеет плоскую орографию: максимальная высота над уровнем моря не превышает 30 м (для области, моделируемой с разрешением 500 м).
С целью увеличения скорости расчетов использовалась параллельная версия модели [8] (технология MPI). Код модели MESO-NH был откомпилирован для локального сервера и вычислительных кластеров французского национального суперкомпьютерного центра IDRIS. Моделирование одного дня требует двух дней расчета на сервере. Та же вычислительная задача на одном векторном процессоре суперкомпьютера NEC SX-8 занимает менее часа.
Для моделирования переноса загрязняющих веществ применяются следующие две методики, основанные на использовании пассивных трассеров и лагранжевых траекторий [19, 22]. Первая позволяет моделировать перенос и рассеяние загрязняющих веществ, которые были выброшены в некотором определенном месте, что позволяет определить концентрацию загрязняющих веществ во всех точках сетки в последующие моменты времени. Вторая позволяет построить лагранжевы траектории и обратные траектории для поиска источников и анализа происхождения воздушных масс. Методики моделирования переноса загрязняющих веществ используют стандартные схемы турбулентности модели MESO-NH.
Наиболее существенным процессом, связанным с мезомасштабной циркуляцией в исследуемом регионе, является морской бриз, соответствующий направлению ветра с севера на юг. Типичная разность температуры поверхности моря и поверхности суши составляет ~4°C. В этих условиях об ра зу ют ся кон вектив ные пото ки возду ха, вы зы ва ю щие в свою оче редь характерные горизонтальные течения. Таким образом, в рассматриваемый период времени начиная с 13 ч ВCВ можно наблюдать ярко выраженную бри зо вую цир куля цию.
Данные моделирования были проверены с помощью имеющихся ло-каль ных дан ных дис тан ци он но го зон ди ро ва ния и изме ре ний на ме тео-станциях (рис. 1 и 2). На рис. 16, в представлены примеры сравнения модельной температ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.