ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 6, с. 692-703
УДК 551.511.61
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕКЦИИ В АТМОСФЕРЕ ПРИ ВТОРЖЕНИИ ХОЛОДНОГО ВОЗДУХА НАД ЧЕРНЫМ МОРЕМ
© 2014 г. В. В. Ефимов, Д. А. Яровая
Морской гидрофизический институт 299011 Севастополь, ул. Капитанская, 2 E-mail: vefim38@mail.ru Поступила в редакцию 24.09.2013 г., после доработки 18.12.2013 г.
С использованием численной модели региональной атмосферной циркуляции WRF-ARW исследована структура конвективно-механического планетарного пограничного слоя (ППС) в атмосфере над Черным морем для случая вторжения холодного воздуха. Выделены особенности развития конвективного ППС, характерные для квазистационарного, но существенно неоднородного по пространству развития конвекции. Для изучения мелкомасштабной структуры ППС на основании серии тестовых расчетов выбрана численная схема, явно разрешающая конвективные движения в ППС. Выполнено сравнение рассчитанных горизонтальных масштабов конвективных движений с данными спутниковых снимков облачности. Рассмотрена вертикальная структура конвективных движений. Показана существенная асимметрия конвективных пульсаций, оценены вертикальные профили компонент поля скорости, а также составляющих вертикальных потоков тепла. Оценены величины отдельных слагаемых уравнения баланса кинетической энергии конвективных движений (ККЭ) и показано, что генерация ККЭ происходила в основном за счет сил плавучести и в меньшей степени за счет сдвига средней скорости.
Ключевые слова: численное моделирование, конвекция, пограничный слой, мелкомасштабная структура, кинетическая энергия.
Б01: 10.7868/80002351514060078
1. ВВЕДЕНИЕ
Вторжение холодного воздуха в атмосферу над Черным морем является достаточно регулярным явлением для зимнего периода года. Обычно такие случаи соответствуют прохождению холодного фронта через северную границу моря и сопровождаются повышением скорости приземного ветра до 10—20 м/с и понижением температуры воздуха до —10... —15°С. В результате в холодном пограничном слое атмосферы над относительно теплым морем, температура которого в зимний период находится в пределах 5—9°С, развивается интенсивная конвекция и облачность в нижних слоях атмосферы, хорошо проявляющаяся на космических снимках.
Такие явления, а также и снимки с искусственных спутников Земли (ИСЗ), на которых хорошо выражены облачные структуры в виде ячеек и протяженных валиков или неупорядоченная облачность, достаточно хорошо известны. В то же время само явление мелкой конвекции, развивающейся в сильно неустойчивом конвективном планетарном пограничном слое (ППС), остается предметом изучения.
В обзорных работах [1, 2] представлены результаты исследований мезомасштабных конвективных процессов в пограничном слое атмосферы, выполненных с использованием дистанционных методов, а также численного моделирования. Показано, что отличительной особенностью ме-зомасштабной мелкой конвекции является формирование когерентных структур, таких как ячейки и валики, рассмотрены динамические и термические условия развития облачных валиков и ячеек открытого или закрытого вида, а также неупорядоченной конвективной облачности. Масштабы конвективных структур изменяются в широких пределах, в частности отношение характерного горизонтального масштаба к толщине конвективного пограничного слоя изменяется в пределах от 2 до 50. В качестве предварительного делается вывод о том, что валиковая (двумерная) конвекция развивается при достаточно больших величинах сдвига горизонтальной скорости ветра (до 10 м/с км-1), а трехмерная ячеистая конвекция — при малых (до 2 м/с км-1). Возникновение мезомасштабной мелкой конвекции определяется рядом динамических и термических факторов,
однако их роль и взаимодействие в формировании горизонтальной структуры остается нерешенной [2].
Теоретические исследования конвекции, развивающейся в жидкости при малых числах Рэлея, имеют давнюю историю. В природных конвективных пограничных слоях развивающиеся квазиорганизованные структуры, к которым относятся ячейки и валики, существенно усложняют задачу. Традиционное приближение, рассматривающее их как форму крупномасштабных турбулентных вихрей и использующее стандартные схемы замыкания через статистические моменты, не позволяет описать основные особенности таких структур: сохранение формы и время жизни, большее, чем у турбулентных вихрей, существенная асимметрия восходящих и нисходящих конвективных движений и другие [2]. В связи с этим актуальными являются исследования, предлагающие объяснение механизмов развития таких квазиорганизованных структур [3, 4].
В публикациях последних лет анализ экспериментальных данных дополняется численным моделированием с использованием современных численных моделей атмосферной циркуляции с высоким пространственным разрешением типа WRF-ARW и вихреразрешающим LES (Large Eddy Simulation) моделированием [5—10]. Однако основное число работ посвящено изучению конвекции с целью совершенствования практических моделей прогноза погоды, развитию универсальных схем параметризации ППС. Моделированию мелкой конвекции в аномальных условиях вторжения холодного воздуха в атмосферу над морем посвящены лишь немногочисленные работы [5, 6].
В качестве характерного примера вторжения холодного воздуха в атмосферу Черноморского региона нами был выбран случай 25 января 2010 г., хорошо проявляющийся на снимках облачности с ИСЗ Aqua и Terra с разрешением 250 м. Этот пример вторжения холодного воздуха в атмосферу Черноморского региона не является уникальным. Такие случаи достаточно регулярно повторяются в зимний период года и именно с ними можно связать эпизоды экстремального выхолаживания поверхности Черного моря, приводящие к формированию в море вследствие конвективного перемешивания так называемого холодного промежуточного слоя [11].
Во втором разделе кратко рассмотрена численная модель WRF-ARW, использовавшаяся для моделирования атмосферной циркуляции, и выбор схем параметризации физических процессов. В третьем разделе даны результаты моделирования конвективного пограничного слоя: рассмотрены изменения параметров ППС, развивающегося в квазистационарных, но существенно неод-
нородных условиях. В четвертом разделе даны тестовые оценки выбора параметров параметризации ППС, рассмотрена горизонтальная и вертикальная мелкомасштабная структура конвекции в пограничном слое, даны оценки статистических моментов конвективных ячеек, проведено сравнение результатов моделирования с данными спутниковых снимков облачности, даны оценки составляющих уравнения баланса кинетической энергии. В заключении приводятся основные результаты работы.
2. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ
Для моделирования использовалась численная модель региональной атмосферной циркуляции WRF-ARW версии 3.1.1. Эта модель достаточно хорошо известна и используется как для оперативного прогнозирования, так и для исследования физических процессов в атмосфере. Детальное описание модели дано в отчете [12], поэтому отметим лишь основные настроечные параметры, использовавшиеся нами. По вертикали были заданы 38 неравномерно расположенных по высоте п-уровней с увеличенным разрешением по высоте в пограничном слое. Задаются п -уровни согласно n = (Р - Рт)/(Ps - Рт), где p — атмосферное давление на некоторой высоте, pT — давление на верхней границе модели, ps — давление на поверхности.
При моделировании использовались следующие схемы параметризации: RRTM (Rapid Radiative Transfer Model) и Dudhia для расчета радиационного баланса коротковолновой и длинноволновой радиации соответственно и Kain-Fritsch для расчета кучевой облачности (в доменах с высоким разрешением параметризация облачности не использовалась). Фазовые переходы в атмосфере описывались схемой Single-Moment 3-class. Для параметризации приземного слоя трения использовалась схема ММ5 similarity, которая позволяет определить потоки импульса, тепла и влаги от поверхности и тем самым задать нижнее граничное условие для расчета вертикального переноса в схеме пограничного слоя. Для расчета коэффициентов обмена тепла, влаги и импульса использовались стандартные соотношения подобия. Для моря задавалась температура поверхности по данным оперативного анализа (Global Final Analyses) (http://rda.ucar.edu/datasets/ds335.0/), и потоки рассчитывались по разности температуры между поверхностью и нижним модельным уровнем с использованием коэффициентов сопротивления. Для подавления внутренних волн на верхних уровнях задавался безразмерный коэффициент диффузии 0.01.
При моделировании мелкой конвекции принципиальным является выбор способа моделиро-
Рис. 1. Расположение вложенных доменов с разрешениями 5.4 х 5.4 км, 1.8 х 1.8 км, 0.6 х 0.6 км и 0.2 х 0.2 км (сплошная линия), использовавшихся при вихре-разрешающем моделировании (LES). Штриховой линией показано расположение домена с разрешением 4 х 4 км, использовавшегося при моделировании с YSU схемой параметризации ППС. Черной вертикальной линией обозначено расположение разреза в домене с разрешением 4 х 4 км.
вания пограничного слоя. Модель WRF-ARW дает различные варианты выбора. Нами было рассмотрено три таких способа и проведено сравнение результатов моделирования в зависимости от шага сетки расчетной области. Первый способ — параметризация пограничного слоя при помощи схемы YSU (Yonsei University) [13]. В схеме задается линейно-параболический профиль коэффициента вертикальной турбулентной вязкости, а для параметризации неразрешаемых в модели подсе-точных потоков импульса, тепла и влаги вводится коррекция к локальным градиентам скорости, тепла и влаги, а также задается величина потока вовлечения (entrainment flux) на верхней границе ППС. Второй способ — параметризация пограничного слоя при помощи схемы Mellor-Yamadа-Janjic Level 2.5, в которой коэффициент вертикальной диффузии не задается, а рассчитывается с использованием гипотезы локального замыкания и уравнения баланса турбулентной кинетической энергии (ТКЭ) [15]. Третий способ — вихреразреша-ющее моделирование (LES) без параметризации ППС. В первом варианте LES коэффициенты горизонтальной и
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.