ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 5, с. 570-577
УДК 551.510.4:551.511.61
ГЛОБАЛЬНАЯ АТМОСФЕРНАЯ ЛАГРАНЖЕВА МОДЕЛЬ
РАССЕЯНИЯ ЧАСТИЦ
© 2015 г. А. Н. Лукьянов*, А. В. Ганьшин*, **, Р. В. Журавлёв*, **, Ш. Ш. Максютов***, А. В. Варлагин****
*Центральная аэрологическая обсерватория 141700Долгопрудный, Московская обл., Первомайская, 3 **Томский государственный университет 634050, Томск, пр. Ленина, 36 ***Национальный институт по исследованиям окружающей среды 16-2 Onogawa, Tsukuba, Ibaraki, 305-8506 Japan ****Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН 119071 Москва, Ленинский проспект, д. 33 E-mail: lukyanov@caomsk.mipt.ru Поступила в редакцию 05.06.2014 г., после доработки 01.10.2014 г.
Представлена разработанная глобальная лагранжева атмосферная дисперсионная модель — Global Lagrangian Atmospheric Dispersion Model (GLADIM). Ключевой составной частью GLADIM является разработанная ранее глобальная атмосферная траекторная модель, использующая поля метеорологических параметров центров анализа метеорологической информации для расчета траекторий воздушных масс, содержащих малые примеси. Кроме того, GLADIM включает в себя параметризацию турбулентной диффузии и позволяет рассчитывать концентрацию атмосферных трассеров в узлах глобальной регулярной сетки, работая в прямом направлении по времени при заданном источнике. Таким образом, модель может быть использована для прямого моделирования распространения загрязнений (вулканического пепла, радионуклидов и т.д.). Работая в обратном направлении по времени, GLADIM позволяет обнаружить удаленные источники, вносящие основной вклад в концентрацию трассера в точке наблюдения. Это свойство лагранжевых моделей широко используется для анализа наблюдений и обратного моделирования источников эмиссий заданной компоненты. В работе приводится описание модели и результаты ее валидации, полученные сравнением с результатами модели аналогичного класса и данными наблюдений.
Ключевые слова: лагранжева модель, траектория воздушных масс, турбулентная диффузия, вулканический пепел, диоксид углерода.
Б01: 10.7868/80002351515040070
ВВЕДЕНИЕ
Модели дисперсии воздушных частиц широко применяются в задачах переноса загрязнений в атмосфере, вызванных природными и техногенными катастрофами, такими как извержения вулканов, аварии на химических предприятиях и АЭС [1—4]. Особенно усиленно эти модели стали разрабатываться после аварии на Чернобыльской АЭС.
Дисперсионные модели относятся к классу так называемых лагражевых моделей, в которых изменение отношения смеси какой-либо химически активной атмосферной компоненты рассчитывается вдоль траектории движения воздушной частицы, а отношение смеси пассивной компо-
ненты вдоль траектории сохраняется неизменным. Преимуществом лагранжевых моделей является отсутствие численной диффузии, присущей эйлеровым (сеточным) моделям, которая возникает вследствие конечно-разностного представления уравнения неразрывности и вызывает искусственное сглаживание полей трассеров. Кроме того, в сеточных моделях трудно задать точечный источник, например, извергающийся вулкан, так как начальная концентрация пепла в точке выброса мгновенно размазывается по ячейке сетки. В то же время эйлеровы модели имеют преимущества при долгосрочном (годы) моделировании глобального распространения атмосферных примесей при изучении процессов межполушарного и тропосфер-но-стратосферного обмена, а также климатиче-
ских изменении, где лагранжевы модели практически не применяются вследствие значительных вычислительных затрат. Поэтому в настоящее время также разрабатываются совмещенные лагран-жево-эйлеровы модели, объединяющие преимущества обоих подходов, например [5].
Современные дисперсионные модели включают такие физические процессы, как адвекция, турбулентное перемешивание, конвекция, гравитационное осаждение, вымывание и т.д. Эти модели используются как в прямом по времени направлении, описывая распространение примеси от источника, так и в обратном направлении, по сути, являясь сопряженной моделью, позволяющей определить источники, влияющие на концентрацию в точке наблюдения (рецепторе). Примером такого класса моделей является модель FLEXPART [2], исходные коды которой находятся в открытом доступе (http://transport.nilu.no/flexpart), а ввиду валидации при проведении неоднократных международных экспериментов широко используется во всем мире. В данной работе FLEXPART была использована для расчета распространения вулканического пепла с целью валидации GLADIM.
Дисперсионные модели принадлежат к классу так называемых "оффлайн" моделей, где используются готовые метеорологические поля — данные ретроспективного анализа (реанализа) или прогностические данные. Для расчета траекторий применяются данные международных центров анализа метеорологической информации, таких как National Centers for Environmental Prediction (NCEP), European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), Japan Meteorological Agency Climate Data Assimilation System (JCDAS). Эти данные, как правило, представлены в узлах глобальной регулярной сетки на изобарических или модельных сигма-уровнях.
Существующие и широко используемые лагранжевы дисперсионные модели в основном являются многозадачными и вследствие этого имеют достаточно сложную структуру, многие компоненты которой не используются при решении конкретной задачи. Кроме того, возникают задачи, для решения которых необходимо модифицировать эти модели, что зачастую равносильно созданию новой модели. Эти обстоятельства и обусловили разработку собственных различных версий дисперсионной модели, специально направленных на более эффективное решение конкретной задачи. Перечень таких задач и способы их решения с применением лагранжевых моделей достаточно широко представлен в монографии [6].
В данной работе представлено описание GLADIM и результаты ее тестирования и валидации применительно к распространению вулканического пепла и моделированию вертикальных профилей диоксида углерода.
ОПИСАНИЕ ОЬАЭШ
Основной составляющей ОЬАЭ1М является траекторная модель переноса атмосферных примесей ТЯАСАО [7], разработанной для моделирования процессов переноса в свободной атмосфере, а также для анализа и планирования баллонных и самолетных наблюдений. Ниже приведено краткое описание траекторной модели и ее модификации для учета турбулентного перемешивания воздушных частиц.
При расчете траектории применялся метод Рун-ге-Кутта 4-го порядка с линейным интерполированием по пространству и времени данных ветра.
Новые горизонтальные координаты движущейся воздушной частицы в сферических координатах за шаг по времени А г находятся из соотношений:
t +At
X(t + At) = Ht) + J
u(k, ф, t)
-L.
Recos ф
dt,
+ At) = ф(0 + — | v(k, ф, t)dt,
Re t
где X, ф — долгота и широта соответственно, u, v — зональная и меридиональная скорости ветра, Re — радиус Земли.
В модели используются данные различных центров анализа метеорологической информации, заданные на изобарических поверхностях или на модельных сигма-уровнях. В горизонтальном направлении на каждом вертикальном уровне данные могут быть представлены на Гауссовой или регулярной сетке с различным пространственным разрешением. Временное разрешение метеорологических полей составляет от 1 до 6 часов. Ключевыми параметрами для расчета 3-х мерных траекторий являются три компоненты скорости ветра. Для вычисления изэнтропических траекторий используются горизонтальные составляющие ветра и температура. Вертикальное перемещение рассчитывается из условия сохранения потенциальной температуры, таким образом, воздушная частица двигается вдоль одной и той же изэнтропической поверхности. В стратосфере основным источником тепла является медленный радиационный нагрев/охлаждение, поэтому адиабатическое приближение справедливо для траекторий продолжительностью 10—15 дней. В области тропопаузы и тропосфере 3-х мерные траектории являются более надежными, так как там адиабатичность нарушается из-за скрытой теплоты испарения и конденсации.
Таким образом, траекторная модель устанавливает связь между источником и рецептором в виде единственной траектории. Однако в реальных атмосферных условиях, особенно вблизи поверхности Земли, необходимо учитывать турбулентное перемешивание воздушных частиц. На-
пример, концентрация примеси из источника эмиссии не приходит неизменной в определенную точку, а рассеивается в виде облака по пространству. Также измеряемая концентрация примеси в какой-либо точке зависит не от единственного источника эмиссии, а от их совокупности. Для учета дисперсии воздушных частиц траектор-ная модель была преобразована в мультитраек-торную модель, учитывающую турбулентное перемешивание этих частиц. Для учета турбулентного перемешивания на каждом шаге по времени к адвективному перемещению частицы добавляется слагаемое, обусловленное турбулентным перемешиванием, рассматриваемым как случайный процесс. При моделировании распространения примеси с коротким временным шагом (~1 с) вблизи источника для вычисления турбулентной скорости в пограничном слое решается уравнение Ланжевена, где требуется учитывать корреляционную зависимость скорости на соседних временных интервалах. При мезомасштабном и глобальном моделировании такой алгоритм требует больших вычислительных затрат, поэтому в этом случае используется более продолжительный временной шаг (15—20 мин), при котором предполагается отсутствие корреляционной зависимости скоростей на соседних временных шагах. Другими словами, турбулентная скорость на конкретном временном шаге не зависит от скорости на предыдущем шаге, и местоположение частицы определяется чисто случайной величиной в пределах, заданных коэффициентом диффузии. Как показано в работе [8], такие модели (модель Монте-Карло или модель случайных блужданий) требуют существенно меньше вычислительного времени и в то же время не уступают по качеству более сложным моделям при мезомасштабном моделировании. Поскольку GLADIM разрабатывалась в основном для исследования глобального переноса в атмосфере, в представленной версии мод
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.