УДК 551.513
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАЗИДВУМЕРНЫХ ВИХРЕЙ В АТМОСФЕРЕ НАД ЧЕРНЫМ МОРЕМ
© 2013 г. В. В. Ефимов, Д. А. Яровая
Морской гидрофизический институт НАНУкраины 99011 Севастополь, ул. Капитанская, 2
E-mail: vefim38@mail.ru Поступила в редакцию 30.11.2011 г., после доработки 01.02.2012 г.
Рассматриваются квазидвумерные сильно затухающие мезомасштабные атмосферные вихри, образующиеся над Черным морем вблизи Крымского и Кавказского побережий. На примере крымского вихря по результатам численного моделирования определена структура и параметры вихря, оценены скорости затухания кинетической энергии и энстрофии. Помимо крупномасштабной вторичной циркуляции, развивающейся в вихре, рассмотрена также мелкомасштабная вторичная циркуляция, обусловленная возникновением конвекции Релея—Бенара.
Ключевые слова: квазидвумерные вихри, численное моделирование, линейное трение, вторичная циркуляция.
Б01: 10.7868/80002351513020077
1. ВВЕДЕНИЕ
В приводном пограничном слое атмосферы в краевых областях Черного моря могут возникать мезомасштабные вихри, связанные с влиянием окружающих гор. Такие вихри были обнаружены в результате обработки данных численного климатического реанализа с повышенным пространственным разрешением [1], а также численных расчетов текущих синоптических ситуаций с использованием региональных моделей атмосферной циркуляции [2, 3]. Среди тех областей, где формируются вихри, отмечен район, граничащий с Кавказским побережьем, а также морская зона Южного берега Крыма. В обоих случаях летом в прибрежной области возникают атмосферные вихри, которые затем отрываются от берега и, постепенно затухая, перемещаются на значительные расстояния над морем. Их характерное время жизни около суток, горизонтальные масштабы 50—150 км, высота 1.5—2.5 км. Непосредственные физические механизмы их возникновения в краевых областях могут различаться. Для Кавказского побережья они связаны с тепловыми контрастами суша—море, наличием прибрежных гор, а их локализация на побережье связана с особенностями обтекания приповерхностным ветром северозападного края горного хребта. Для Южного берега Крыма возникновение вихревых структур также связано с обтеканием Крымских гор, а отрыв от берега является следствием формирования бри-зовой циркуляции.
Работа имеет целью численное моделирование таких мезомасштабных вихрей и изучение их свойств, как одного из видов квазидвумерных когерентных структур в пограничном слое атмосферы над морем. В первой части статьи описываются параметры настройки численной модели. Во второй — приведены результаты расчетов возникновения и эволюции таких мезомасштабных вихрей для Крымского и Кавказского побережий. Далее приводятся характерные оценки кинематических и динамических характеристик на примере крымского вихря и дается интерпретация и сравнение с известными физическими представлениями. В заключение рассматриваются основные свойства полученных вихревых структур.
2. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ
Для моделирования использовалась численная модель региональной атмосферной циркуляции ARW (Advanced Research WRF) версии 3.1.1 на трех вложенных доменах с горизонтальными разрешениями 9 х 9, 3 х 3 и 1 х 1 км, иногда еще добавлялся домен 0.3 х 0.3 км [4]. Эта модель достаточно хорошо известна и широко используется для различных целей при моделировании атмосферных процессов в заданных регионах. Поэтому перечислим лишь основные настроечные параметры, выбранные нами для моделирования.
По вертикали было задано 33 неравномерно расположенных по высоте п -уровня с увеличен-
ным разрешением в пограничном слое. п-уровни
Р - Рт
задаются согласно п
-, где р — атмосфер-
Ps - Рт
ное давление на некоторой высоте, рТ — давление на верхней границе модели, ps — давление на поверхности.
Использовались следующие схемы параметризации: RRTM (Rapid Radiative Transfer Model) и Dudhia для расчета радиационного баланса длинноволновой и коротковолновой радиации соответственно, Kain-Fritch — для расчета кучевой конвекции в доменах с разрешением 9 и 3 км (в домене с разрешением 1 км кучевая облачность рассчитывалась явно и параметризация была не нужна). Для описания фазовых переходов в атмосфере (микрофизических процессов) применялась схема Single-Moment 3-class [4].
Для параметризации приземного слоя трения использовалась схема MM5 similatity. Схема приземного слоя позволяет определить потоки импульса, тепла и влаги от поверхности и тем самым задать нижние граничные условия для расчета вертикального переноса в схеме пограничного слоя. Потоки от поверхности пропорциональны скорости трения ы^, которая в схеме MM5 simila-tity рассчитывается как
ы* =■
kU„
ln
г 0
L
МО
где к = 0.4 — постоянная Кармана, Ue — горизонтальная скорость ветра на верхней границе приземного слоя, г — высота над поверхностью, z0 — параметр шероховатости, у — функция, характеризующая устойчивость атмосферы, LMO — параметр Монина—Обухова.
Планетарный пограничный слой параметри-зировался при помощи схемы Yonsei university [5], в которой коэффициент вертикальной турбулентной вязкости kz задается в виде линейно-параболического профиля. Процессы нелокального перемешивания учитывались введением противо-градиентного слагаемого, пропорционального потоку от поверхности. Коэффициенты турбулентного обмена теплом и влагой подсчитыва-лись через kz с учетом переменного числа Прандт-ля, безразмерные функции профилей скорости, тепла и влаги задавались с помощью известных соотношений Монина—Обухова. На верхней границе планетарного пограничного слоя учитывались также процессы вовлечения. В свободной атмосфере использовалась локальная схема замыкания, где коэффициенты вертикальной диффузии задавались пропорциональными квадрату пути смешения, вертикальному градиенту скорости и заданной функции локального числа Ричардсона. В пределах переходного слоя, в зоне
вовлечения, коэффициент диффузии задавался как геометрическое среднее между величинами для свободной атмосферы и верхней границы планетарного пограничного слоя, высота которого определяется критическим числом Ричардсона RiKp = 0.5.
Коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии в модели рассчитывается как
kh = C2AxAyD,
где C ~ 0.25; Ax, Ay — горизонтальное разрешение модели; D — величина деформации поля горизонтальной скорости ветра.
Входными для внешнего домена являлись данные оперативного анализа FNL (Final) Operational Global Analyses c разрешением 1° x 1°, которые обновлялись каждые 6 часов. После адаптации модели к заданным начальным условиям развитие атмосферных процессов во всех трех доменах определялось лишь периодически обновляющимися граничными условиями на внешнем домене. Такие расчеты были проведены для летних месяцев 2007 г., и среди полученных выходных мезо-масштабных полей были выделены характерные вихревые структуры вблизи Крымского и Кавказского побережий, свойства которых и будут рассмотрены далее.
3. РАЗВИТИЕ ВИХРЕИ
Рассмотрим два характерных примера эволюции квазидвумерных вихрей над морем в атмосфере Крымского и Кавказского регионов (рис. 1). Показаны поля скорости ветра на высоте 10 м и возмущение давления (по отношению к гидростатическому давлению на уровне моря) для трех моментов времени: предшествующего зарождению вихря, сформировавшегося вихря в прибрежной области и, наконец, оторвавшегося от берега затухающего вихря, имеющего структуру, близкую к осесимметричной. До момента зарождения вихрей поток воздуха во всем планетарном пограничном слое был направлен с суши на море. В условиях неустойчивой или близкой к нейтральной дневной и вечерней стратификации пограничного слоя над сушей воздушный поток полностью переваливает через прибрежные Крымские и Кавказские горы (рис. 1а, 1г). Ситуация изменяется в ночные часы. Формирование устойчиво стратифицированного пограничного слоя над сушей приводит на нижних уровнях к блокированию переваливания воздуха через горы. Как известно, условием такого блокирования
является [6]: Бг = < 1.18, где и — скорость при-Ш
земного ветра (~10 м с-1), N — частота устойчивости (1.3 х 10-2 с-1), к — высота гор, Бг — число Фруда. В нашем случае это условие выполняется.
N
44.9° ■
44.8° ■
44.7° ■
44.6° ■
44.5°
44.4°
44.3°
44.2°
44.1°
44.0°
43.9°
43.8°
43.7°
43.6°
(а)
^ —* » ^ * * * t * Т Г Л * И *** » ^ , , ^
» \ N ' ' ' ' • у ,
.....V -л \ - ■ ■ м
ч;' " ' -
1 I I I I I I I I I I г
33.6° 33.8° 34.0° 34.2° 34.4° 34.6° 34.8° 35.0° 35.2° 35.4° 35.6°35.8°
X
X
X
0 300 600 1200 м
10 м ■ с-1 Е
N 44.9° 44.8° 44.7° 44.6° 44.5° 44.4° 44.3° 44.2° 44.1° 44.0° 43.9° 43.8° 43.7° 43.6°
(б)
__\ \ \|
\Л \ \ \
... ' ■ - ■ - 101;°.6 . .
■ " . ,0,0 4 - 1010.4 I У / < Ш10.4 ^ , 1010 4/11 1010.2 1010.4 1010.4 1010.4
1010.4
111 11 ■■■/1111 /////
33.6° 33.8°34.0° 34.2° 34.4° 34.6° 34.8°35.0° 35.2° 35.4° 35.6°35.8°
X
X
0 300 600 1200 м
10
м ■ с
Е
Рис. 1. Поле скорости (м с-1) приводного ветра и давление (гПа) на уровне моря для крымского вихря в: а — 20 ч 15 августа, б — 2ч 16 августа, в — 8ч 16 августа 2007 г. и для кавказского вихря в: г — 12 ч, д — 16 ч, е — 20 ч 20 июля 2007 г. Оттенками серого показана высота (м) рельефа над ур. моря.
В результате, когда число Фруда <1.18, приземный ветер обтекает Крымские горы, и в краевых областях образуются две области завихренности: циклоническая в западной краевой области и антициклоническая — в восточной. На рис. 1б эти две области отчетливо представлены. Характерным отличием двух сформировавшихся областей завихренности является достаточно глубокий ми-
нимум давления в циклонической западной области и практически отсутствующий максимум давления в антициклонической. При этом величины скоростей были близкими, а сами поля ветра соответствовали замкнутому движению, т.е. круговой циркуляции. В дальнейшем при отрыве от берега область циклонической завихренности сформировалась в долгоживущий вихрь, в то вре-
(в)
33.6° 33.8° 34.0° 34.2° 34.4° 34.6° 34.8° 35.0° 35.2° 35.4° 35.6° 35.8°
<Т1 I ^^^ Юм ■ с-1 Е 0 300 600 1200 м
Рис. 1. Продолжение.
мя как антициклоническая не развилась в самостоятельный вихрь и быстро исчезл
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.