Численная модель слоисто-кучевой облачности над морской поверхностью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат географических наук Лебедев, Андрей Ильич

• Лебедев, Андрей Ильич
• кандидат географических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат географических наук Лебедев, Андрей Ильич

Введение.

Глава 1 Состояние вопроса и формулировка темы диссертации.

Глава 2 Физическая модель.

Глава 3. Схема численного решения и диагностика результатов расчетов.

Глава 4. Результаты моделирования слоисто-кучевых облаков при постоянной температуре поверхности океана (ТПО).

Глава 5. Трансформация слоисто-кучевой облачности в кучевую при изменении температуры поверхности океана.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численная модель слоисто-кучевой облачности над морской поверхностью»

После запуска полярноорбитальных метеорологических спутников в начале 1960-х годов, а затем и геостационарных метеорологических спутников стало очевидным, что значительные пространства мирового океана бывают, покрыты обширными и достаточно устойчивыми во времени полями слоисто-кучевых облаков. Особенно характерны такие массивы слоисто-кучевой облачности для районов всплытия холодных океанических вод (холодных морских течений) в субтропиках у западного побережья Африки, западных побережий Северной и Южной Америки. Пример поля морских слоисто-кучевых облаков приведен на рис.1. В связи с тем, что характерные размеры облачных полей морских Sc составляют миллионы квадратных километров и существуют эти поля практически перманентно, они оказывают заметное влияние на радиационный баланс Земли. Именно в этой связи в последние два десятилетия значительно возрос интерес к изучению природы этих облаков, было проведено несколько полевых экспериментов в Атлантическом и Тихом океанах и выполнено достаточно большое количество работ по численному моделированию Sc с тем, что бы лучше понять природу их образования и устойчивости, а также трансформации в кучевые облака при смещении их с воздушным потоком в более низкие широты.

В большей части работ по численному моделированию морских слоисто-кучевых облаков рассматривался сравнительно короткий отрезок их жизни - порядка нескольких часов, на котором исследовалось влияние на развитие облачности отдельных факторов: радиационного охлаждения и испарения с верхней границы облачности испарения осадков (мороси) в подоблачном слое, процессы вовлечения воздуха из инверсионного слоя. Моделируемые течения в такого рода работах являлись, однако,

Рчс, L Здгодное побережье

Южнац

Амершсц неустановившимися, поэтому некоторые приводимые оценки характерных скоростей охлаждения вызывают определенное сомнение.

В настоящей работе, как и в нескольких параллельно опубликованных другими авторами, проведено сравнительно длительное интегрирование модели конвективного пограничного слоя (на несколько суток), при котором достигался квазипериодичеаеский режим конвекции (с суточным циклом), поэтому полученные оценки как самих течений, так и получаемых интегральных характеристик пограничного слоя и потоков в нем тепла, влаги и количества движения являются более репрезентативными.

Интегрирование модели на отрезке нескольких суток в условиях постоянной температуры морской поверхности показало, что именно суточная модуляция радиационных притоков тепла обеспечивает длительность существования облачной системы слоисто-кучевых облаков.

Численное изучение процесса трансформации слоисто-кучевых облаков вследствие повышения температуры поверхности океана показало, что определяющую роль в этой трансформации играет изменение структуры вертикальных потоков тепла в фоновом состоянии атмосферы.

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Лебедев, Андрей Ильич

100 Заключение.

Итогом настоящей диссертации стало создание двумерного и трехмерного вариантов модели пограничного слоя, в которой допускается прямое моделирование конвективных течений.

Эта модель, базирующаяся на неупругих уравнениях, была применена к изучению динамики слоисто-кучевых облаков над морской поверхностью, развивающихся часто в зонах холодных океанических течений в слабо неустойчивых подынверсионных слоях. В основу проводившихся численных экспериментов была положена гипотеза о том, что поддержание устойчивых полей слоисто-кучевых облаков может происходить в результате возникновения конвекции в охлаждающихся сверху слоях жидкости. В качестве такого охлаждающего внешнего агента было принято длинноволновое излучение на верхней границе облаков (ВГО). Кроме этого исследовалось влияние динамического нагрева вследствие оседания воздуха в инверсионном слое, а также трансформация пограничного слоя и облачного покрова по мере перемещения воздушной массы в область с более высокой температурой поверхности океана.

На основании проведения многочисленных экспериментов, в основном с трехмерном вариантом модели, были сделаны следующие основные выводы.

Модель является крайне чувствительной к способу задания радиационного возбуждения: небольшие значения охлаждения вследствие длинноволнового излучения (-0,1 -0,2 град/час) приводят к тому, что с течением времени первоначально сплошной облачный покров постепенно разрушается. С другой стороны задание радиационного охлаждения на верхней границе облаков порядка -2К/час и более приводит при интегрировании на длительные сроки (несколько суток) к развитию чрезмерно интенсивной конвекции и облачности с нереально большой водностью, которая по имеющимся экспериментальным данным в изучаемых облаках не наблюдается.

При моделировании динамики пограничного слоя на длительный срок необходимо вводить суточную модуляцию в возбуждающий радиационный член для того, чтобы избежать развития нереально интенсивной конвекции и чрезмерного охлаждения ВГО. В целом при использовании значений радиационного охлаждения порядка 1 градуса в час в ночные часы и нагрев на ВГО в дневные часы, сплошной облачный слой может существовать длительное время, уплотняясь в ночные часы и сокращаясь в дневные.

2. Под действием радиационного охлаждения воздуха вблизи верхней границы облачности образуется влажно неустойчивый слой атмосферы мощностью «450 м, в котором развиваются конвективные течения по типу закрытых ячеек, то есть ячеек, в которых имеются обширные области относительно слабых восходящих течений и узкие зоны более интенсивных нисходящих течений. Под действием крупномасштабного потока конвективные ячейки вытягиваются в конвективные валики. До тех пор, пока радиационное охлаждение на ВГО является достаточным для поддержания влажной неустойчивости, такая система конвективных течений существует и поддерживает сплошную облачность. В этом смысле полученные результаты совпадают с результатами: других авторов при моделировании конвекции в охлаждающихся слоях жидкости.

3. При моделировании подынверсионных слоисто-кучевых облаков в ряде работ большое внимание уделялось вопросам вовлечения воздуха из инверсионного слоя в подынверсионный. Скорее интуитивно предполагалось, что в участках нисходящих движений теплый воздух из слоя инверсии вовлекается в нижележащий подынверсионный слой, происходит вертикальное перемешивание и в результате инверсия ослабевает. Прямое моделирование конвективных течений показало, однако, что несмотря на то, что конвективные течения проникают в слои инверсии, в нисходящих ветвях этих течений не происходит повышения температуры в подынверсионном слое. Напротив, имеет место ее понижение. При более детальном рассмотрении процесса конвективного переноса тепла отсутствие нагрева за счет вовлечения воздуха из инверсионного слоя становится понятным. В условиях устойчивой стратификации в инверсионном слое опускающаяся частица воздуха действительно нагревается, но как только она попадает в подынверсионный неустойчиво стратифицированный слой, то начинает при опускании охлаждаться. Таким образом, хотя в результате конвекции обмен воздухом между инверсионным и подыинверсионным слоем происходит, но отепляющегого воздействия этот обмен на подынверсионный слой не оказывает. Высота нижней границы инверсии остается постоянной, а сама инверсия при этом усиливается, особенно в ночные часы.

4. Нагревание инверсионного слоя вследствие оседания воздуха при характерных для атмосферы значениях плоской дивергенции (lO^-lO*6) с"1 не оказывает существенного влияния на динамику слоисто-кучевых облаков.

5. Отдельная серия экспериментов была посвящена изучению влияния осадков на структуру движений и облачности. В первую очередь необходимо отметить, что осадки образовывались и достигали поверхности океана только в ночной период, когда происходило усиление конвективных движений и увеличивалась мощность и водность облаков. При включенном блоке расчета осадков наблюдалось некоторое уменьшение водности облаков, чего и следовало ожидать, так как происходит вымывание облачной влаги осадками. Изменились также абсолютные значения скоростей восходящих и нисходящих движений. Нисходящие движения несколько усилились, а восходящие, наоборот, ослабли. Значения водности осадков соответствовали наблюдавшимся в полевых экспериментах.

6. Проведено численное изучение трансформации пограничного слоя и облачного покрова под действием переноса воздушной массы из районов холодных океанических течений в область пассатов с более высокой ТПО. При выбранной скорости крупномасштабного потока 10 м/с воздушная масса преодолевает расстояние от субтропиков до пассатной зоны примерно за двое суток, при этом ТПО повышается от 16°С до 23-24°С. Таким образом, численные эксперименты по изучению трансформации слоисто-кучевых облаков в кучевые велись при характерной скорости нагрева поверхности океана 4 градуса в сутки, и интегрирование велось на двое суток. Получено, что вследствие изменения профиля температуры в нижней части пограничного слоя происходят существенные изменения в структуре конвективных течений. Температурная инверсия сохраняется на прежней высоте, но немного ослабляется. Сплошной облачный слой слоисто-кучевых облаков размывается. Изменятся характер конвективных течений: конвективные ячейки становятся открытого типа, то есть интенсивные восходящие движения занимают узкие зоны, а слабые нисходящие движения распространяются на всю область расчетов. В области восходящих движений вследствие конденсации водяного пара возникают кучевые облака, занимающие 40-45% расчетной области. Под действием крупномасштабного потока конвективные ячейки превращаются в конвективные валики, а облака вытягиваются в облачные гряды, наблюдаемые в пассатной области.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Лебедев, Андрей Ильич, 2004 год

1. Вельтищев Н.Ф. Ячейковая конвекция в атмосфере //Труды Гидрометцентра СССР, 1969, вып.50, 3-21.

2. Власюк М.П., Полексаев В.И. Исследование стационарной проникающей конвекции сжимаемого газа в атмосфере// Ин-т прикладной математики АН СССР, Препринт 46, 1972, 41с.

3. Вельтищев Н.Ф., Желнин А.А. Влияние нестационарности поля средней температуры нак структуру конвективных движений// Труды Гидрометцентра СССР, 1974, вып. 148, 3-24.

4. Гойса Н.И. Характеристики "среднего" слоисто образного облака. -В книге Радиация в облачной атмосфере. Л. Гидрометеоиздат, 1981, с. 207-209.

5. Гойса Н.И., Шошин В.Ш. Экспериментальная модель "среднего" облака St-Sc. В книге Радиация в облачной атмосфере. Л. Гидрометеоиздат, 1981, с. 154-160.

6. Гойса Н.И. Самолетные исследования теплового излучения облачной атмосферы. В книге Радиация в облачной атмосфере. Л. Гидрометеоиздат, 1981, с. 203-207.

7. Кибель И.А. Введение в гидродинамические методы краткосрочного прогноза. М., 1957

8. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. М., "НАУКА", 1962

9. Фейгельсон Е.М. Лучистый теплообмен и облака. Л., "Гидрометиздат", 1970

10. Ю.Фейгельсон Е.М. Радиация в облачной атмосфере. Л., "Гидрометиздат", 1981

11. Хантли Г. Анализ размерностей. М., "НАУКА", 19701. AOS

12. Austin P., Wang Y., Pinus R. Precipitation in stratocumulus clouds: observational and modeling results. JAS, 1995. vol. 52, N13, p.2329-2352,

13. Berg I.C, Boudaot M, Acrivos A. Natural convection in pools of evaporating liquids // Journal.Fluid Mech., 1966, V.24 , Pt 4, 721-737.

14. Bretherton C., Pincus R. Cloudiness and marine boundary layer dynamics in the ASTEX Lagrangian experiments. Part I: Synoptic setting and vertical structure. JAS, 1995, vol.52, p.2707-2723.

15. Bretherton C. and Wyant M. Moisture transport, lower-tropospheric stability, and decoupling of cloud-topped boundary layers. JAS, 1997, vol.54, Nl,p,148-167.

16. Harten H.M. The artificial compression method for computation of shocks and contact discountinuities. Ill Selfadjusting hybrid schemes. -Mathematics of Computations, 1978, vol.32, p.363-389.

17. Helfand H., Kalnay E. A model to determine open or closed cellular convection, JAS, 1983, vol.40, N3.18.1saak M. et.al. Radiative Equilibrium with Two-Dimensional moist convection. JAS, 1993, vol.50, N15, p.3909-3927.

18. Kessler E. On the distribution and continuity of water substance in atmospheric circulations. Meteorological Monographs, 1969, vol.10, N32, 84 pp.

19. Kreuger S., Mclean G., Fu Q. Numerical Simulation of the Stratus-to-Cumulus transition in the subtropical marine boundery layer. Part II: Boundery Layer circulation. -JAS, 1995, vol.52, N15, p.2851-2868.

20. Krishnamurti R. Finite amplitude convection with changing mean temperature. Pt.II. An experimental test of theory //Journ.Fluid Mech., 1968, V.33, Pt.3, 457-463.

21. Kulacki F.A. and Goldstein R.J. Thermal convection in a horizontal fluid layer with uniform volumetric energy sources //Journ.Fluid Mech., 1972, V.55, Pt.2, 271-287.

22. Kulacki F.A., Nagle ME. Natural convection in horizontal fluid layer with volumetric energy sources // Heat Transfer, 1975, V.97, Sec.C, N1, 204-211.

23. Lewellen D., Lewellen W. Large-eddy layer entrainment. JAS, 1998, vol.55, N17, 2645-2665.

24. Laufersweiler M. et al, A theoretical model of multi-regime convection in a stratocumulus-topped boundeiy layer. JAS, 1995, vol.73, N4, p.481-495.

25. Martin M., Jonas P. A simple-model study of the interaction between cumulus and stratocumulus clouds in the marine boundary layer. Quart J.R.Met.Soc., 1997. Vol.123, N541, p.l 199-1225.

26. MacVean M.K. Numerical Investigation of the Criterion for Cloud-Top Entrainment Instability. JAS, 1993, vol,50, N15, p.2481-2495.

27. Martin G.M. and Johnson D.W. Observation of the Interaction between Cumulus clouds and Warm Stratocumulus Clouds in the marine boundary layer duiring ASTEX. JAS, 1994. Vol.52, N16, p.2902-2922.

28. McKenzie D.P., Roberts J.H. and Weiss N.O. Convection in the Earth's mantle: towards a numerical simulation// Journ.Fluid Mech., 1974, v.62, Pt.3, 465-538.

29. Moeng C., Lenschow D., Randall D. Numeric investigations of the roles of radiative feedbacks in St entrainment and breakup. JAS, 1995, vol.52, N16, p.2869-2883.

30. Moeng C. Et al. Simulation of a Stratocumulus-topped planetary layer; interconparison among different numerical codes.- Bull.American Meteor.Soc., 1996, vol.77, N2, p.261-278.

31. Nicholls S. The structure of radiatively driven, convection in stratocumulus. Quart.J.R.Met.Soc. 1989, vol.l 15, N487, p.487-511.

32. Nielsen R.C. and Sabersky R.H. Transient heat transfer in Bernard convection //Int.Journ .Heat and Mass transfer, 1973, V. 16, N 12, 24072420.

33. Pincus R., Baker M. What controls stratocumulus radiative properties? -JAS, 1977, vol.54, N17, p.2215-2236.

34. Rechou A. and Durand P. Conditional sampling and scale analysis of the marine atmospheric mixed layer SOFIA experiment. - BLM, 1997, p.81-104.

35. Roberts P.H. Convection in horizontal layers with internal heat generation. Theory //Jorn.Fluid Mech., 1967, V.30, Pt.l, 33-49.

36. Sallivan P.P.,. Moeng C., Stevens В., Lenschow D. Structure of entrainment zone capping the convective atmospheric boundary layer, -JAS, 1998, vol.55, N20, p.3042-3064.

37. Shao Q., Randell D. Closed mesoscale cellular convection driven by cloud-tip radiative cooling. JAS, 1996, vol.53, N15, p.2144-2165.

38. Sorbjan Z. Numerical Study of Penetrative and "Solid Lid" Nonpenetrative Convective Boundary Layers. JAS, 1996, vol.53, N1, p.101-2112.

39. Sorbjan 7J Effects caused by varing the strength of the capping inversion based on a large eddy simulation model of the shear-fixe convective boundery layer, JAS, 1996, vol.54, N14, p.2015-2024.

40. Stevens B. et al. A critique of one- and two-dimensional models of boundary layer clouds with a binned representation of drop microphisics. Atmospheric Research, 1998, vol.47-48, p.529-533.

41. Sayler B. And Breeidenthal R. Laboratory simulations of radiatively induced entrainment in stratiform clouds. JGR, 1998, vol.103, ND8, p.8827-8837.

42. Stevens B. et al. Large-eddy simulations of strongly precipitating, shallow, stratocumulus-topped boundary layers. JAS, 1998, vol.55, N24, p.3616-3638.

43. Thirlby R. Convection in an internally heated layer// Journ. Fluid Mech., 1970, v.44, Pt.4, 673-693.40 S

44. Tritton D.J. and Zarraga M.N. Convection in horizontal layers with internal heat generation // Journ.Fluid Mech., 1967, V.30, Pt.l, 21-31

45. Wyant M. et al. Numerical Simulations and conceptual model of the stratocumulus to trade cumulus transition. JAS, 1997, vol.54, N1, p.168-192.