Орографические эффекты при расчете радиационных потоков в атмосферных моделях высокого разрешения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат физико-математических наук Сенькова, Анастасия Владимировна

• Сенькова, Анастасия Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сенькова, Анастасия Владимировна

Введение

1. Результаты современных исследований зависимости радиационного режима от рельефа подстилающей поверхности

2. Теоретические основы влияние орографии на потоки радиации на поверхности

2.1. Солнечная радиация

2.1.1. Влияние наклонных поверхностей на поток прямой солнечной радиации

2.1.2. Эффекты затенения

2.1.3. Диффузная солнечная радиация на склонах

2.2. Длинноволновая радиация

3. Базовая гидродинамическая модель

3.1. Система НЖЬАМ

3.2. Радиационный блок модели НЖЬАМ

3.2.1. Параметризация коротковолновой радиации

3.2.2. Параметризация длинноволновой радиации

3.2.3. Тестирование радиационного блока модели

4. Методы учета орографических эффектов в радиационном блоке атмосферной модели высоко разрешения

4.1. Модификации радиационного блока модели

4.2. Подготовка необходимой информации об орографических параметрах

4.2.1. Методы формирования полей углов и направлений наклона на сетке НШЬАМ

4.2.2. Структура орографических полей

5. Численные эксперименты с радиационным блоком модели с учетом рельефа

5.1. Одномерные расчеты в единичном столбе атмосферы

5.2. Эксперименты с искусственными горными склонами

5.3. Эксперименты с рельефом Карпат 123 Заключение 133 Список литературных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Орографические эффекты при расчете радиационных потоков в атмосферных моделях высокого разрешения»

Радиация является основным источником и стоком энергии системы Земля-атмосфера и оказывает определяющее влияние на динамику атмосферы. Радиационные потоки зависят от многих факторов в этой системе: газового состава атмосферы, оптических свойств естественных и антропогенных примесей, излучательной способности облаков и подстилающей поверхности, а также от орографии, которая оказывает локальное, но существенное влияние на радиационные потоки на поверхности Земли. По результатам наблюдений и локальных одномерных моделей доказано определяющее влияние орографии на потоки приземной радиации всего спектрального диапазона, а, следовательно, на энергетический, водный, и другие бюджеты поверхности. В гидродинамических моделях атмосферы, предназначенных для прогноза погоды, наряду со многими параметрами, изменение температуры рассчитывается за счет различных притоков энергий: турбулентной, фазовых переходов и радиационной. Притоки лучистой энергии являются подсеточным физическим процессом и рассчитываются в радиационном блоке гидродинамических моделей.

Актуальность работы:

Задача улучшения качества прогноза погоды и учета различных физических процессов при его составлении является всегда актуальной. В гидродинамических моделях атмосферы, предназначенных для прогноза погоды, параметризация радиации играет важную роль, она отвечает за суточные и сезонные изменения метеовеличин.

С развитием вычислительной техники повышается пространственное разрешение в прогностических оперативных и климатических моделях, полнее учитывается в моделях и орография, оказываемый ею на радиационные потоки эффект может быть рассчитан и при высоком разрешении должен оказывать заметное влияние на радиационный баланс поверхности и температуру в приземном подслое.

До сих пор полные трехмерные гидродинамические модели прогноза погоды с большой областью охвата не учитывали влияние орографии на потоки радиации из-за необходимости достаточно мелкого разрешения, особенно в районах со сложной орографией. Алгоритмы параметризации радиационных потоков в условиях сложной орографии реализовывались только для одномерных моделей или моделей для конкретных орографических структур (каньонов, долин).

Таким образом, целью диссертационного исследования является:

• Формулировка алгоритмов учета влияния эффектов, связанных с неоднородной орографией земной поверхности, на приземные потоки радиации в гидродинамических моделях высокого разрешения;

• Реализация и внедрение указанных алгоритмов в атмосферную региональную модель высокого разрешения;

• Проведение численных экспериментов для оценки влияния орографии на модельные потоки радиации и прогноз температуры в приземном подслое.

Для выполнения поставленных целей в диссертационной работе были сформулированы и последовательно решены следующие задачи:

• Установка гидродинамической региональной системы прогноза погоды НШЬАМ1 в РГТМУ;

• Тестирование радиационного блока модели Н111ЬАМ, сравнение результатов одномерных расчетов с наблюдениями и с расчетами по модели ЕСМТО2;

1 ШЯЬАМ - (региональная гидродинамическая модель высокого разрешения) -система оперативного прогноза погоды (совместный проект 9-ти северных европейских стран).

2 ECMWF - Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды.

• Изучение эффектов, связанных со сложным рельефом, на радиационные потоки на поверхности и исследование возможностей их учета в атмосферных моделях высокого разрешения;

• Разработка алгоритма учета влияния наклона поверхности на приземные потоки прямой солнечной радиации для радиационного блока гидродинамической модели высокого разрешения;

• Разработка алгоритма учета эффектов затенения окружающими формами рельефа в радиационном блоке модели высокого разрешения;

• Разработка алгоритма учета влияния сложной орографии на приземную диффузную коротковолновую и длинноволновую радиацию для радиационного блока гидродинамической модели высокого разрешения;

• Разработка методов построения мелкомасштабных полей углов и направлений наклона земной поверхности, необходимых в качестве внешних параметров в модели;

• Проведение численных экспериментов для оценки влияния рельефа на модельные радиационные потоки и температуру для одномерной радиационной модели; трехмерных экспериментов с искусственными склонами; полных экспериментов с реальными данными о подстилающей поверхности.

Основным методом исследования является моделирование. Для решения задач исследования разработан алгоритм учета влияния эффектов орографии на потоки радиации для атмосферных моделей высокого разрешения и внедрен в радиационный блок атмосферной гидродинамической региональной модели ШЯЬАМ. Проведены численные эксперименты.

Научная новизна состоит в разработке и реализации алгоритмов численного учета влияния сложной орографии на приземные радиационные потоки в трехмерных гидродинамических моделях атмосферы высокого разрешения. Получены новые оценки чувствительности приземных радиационных потоков и температуры к орографическим неоднородностям подстилающей поверхности на основе региональной модели высокого разрешения. Разработаны рекомендации по необходимости учета различных радиационных факторов в прогностических моделях высокого разрешения.

Все указанные этапы исследования выполнены для региональной модели высокого разрешения впервые. Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Методы формирования полей азимутов и углов наклона поверхности, необходимых для расчета радиационных потоков для атмосферной модели высокого разрешения.

2. Методика учета влияния угла и азимута наклона поверхности на приземные потоки солнечной радиации, учета эффектов затенения и зависимости диффузной коротковолновой и длинноволновой радиации от элементов орографии применительно к атмосферной модели высокого разрешения.

3. Оценки чувствительности радиационных потоков на поверхности и приземной температуры к орографическим эффектам в атмосферной модели высокого разрешения.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается строгой математической постановкой задачи и их непротиворечивостью с фундаментальными положениями и выводами общефизической теории, подтвержденной на одномерных радиационных моделях, а также согласованностью с оценками, полученными в независимых исследованиях.

Теоретическая и практическая ценность диссертации состоит во включении предложенной методики в радиационный блок прогностической модели высокого разрешения. Реализация предложенных методов позволяет давать прогнозы приземной температуры с учетом сложных орографических эффектов в радиационном блоке модели.

Все результаты моделирования, полученные в диссертации, являются новыми, непротиворечивыми и согласуются с фундаментальными особенностями поступления потоков радиации на земную поверхность.

Представленная методика была реализована для программного комплекса системы ШКЬАМ, используемой в оперативной практике метеорологических служб ряда северных стран, и будет внедрена в оперативную модель НШЬАМ. Эту методику можно использовать и в других моделях прогноза погоды высокого разрешения, а также в моделях изменения климата для расчета приземных потоков радиации с учетом оказываемого на них влияния сложной орографии. Данные методы также рекомендованы для внедрения в учебный процесс РГТМУ для дисциплины «гидродинамическое моделирование» (раздел «Параметризация физических процессов подсеточного масштаба»).

Работа прошла апробацию на:

- Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Компьютеры. Программы. Интернет. 2003», Киев, Украина, апрель, 2003.

- Международной конференции и школе молодых ученых «Вычислительно-информационные технологии для наук об окружающей среде С1ТЕ8-2003», Томск, сентябрь, 2003.

- Семинаре «Балтийский ШКЬАМ» в Санкт-Петербурге, ноябрь, 2003.

- Итоговой Сессии Ученого Совета, РГТМУ, январь, 2004.

- Ежегодном семинаре разработчиков и пользователей системы НШЬАМ, Мадрид, Испания, март, 2004.

Основные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах, материалы использованы в научно-исследовательских отчетах.

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Сенькова, Анастасия Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для проведения исследования влияния орографии, оказываемого на приземные потоки радиации, температуру и гидродинамическую модель в целом, в диссертационной работе проделано следующее:

1. В качестве базовой модели для реализации разработанных алгоритмов и проведения численных экспериментов использовалась гидродинамическая региональная модель прогноза погоды высокого разрешения НИНАМ. Начальным этапом работы являлась установка и отладка системы НШЬАМ на персональные компьютеры кафедры метеорологических прогнозов в РИ'МУ;

2. Модификации для учета влияния орографических эффектов вносились в радиационный блок модели НШЬАМ. Проведено его тестирование, которое заключалось в сравнении результатов одномерных расчетов с наблюдениями и расчетами моделью ЕСМ\\ПР;

3. На основе современных публикаций проведено детальное исследование влияния эффектов, вызванных сложным рельефом, на радиационные потоки на земной поверхности и методов их описания и учета; исследованы возможности применения этих методов в гидродинамической модели атмосферы высокого разрешения.

4. Для использования в радиационном блоке гидродинамической модели высокого разрешения разработана и реализована методика учета влияния следующих факторов рельефа на потоки радиации:

- наклона подстилающей поверхности на потоки прямой солнечной радиации;

- эффектов затенения окружающими формами рельефа;

- влияние на диффузную коротковолновую радиацию;

- влияние на длинноволновую радиацию;

5. Разработаны методы переноса информации из мелкомасштабной базы данных на сетку прогностической модели высокого разрешения. Проведены расчеты необходимых полей орографических характеристик поверхности для дальнейшего их использования в полном трехмерном эксперименте.

6. Проведены численные эксперименты для оценки чувствительности модельных радиационных потоков и температуры приземного слоя к влиянию рельефа. Было продемонстрировано хорошее соответствие результатов теоретическим аспектам влияния наклонных поверхностей на потоки солнечной радиации на одномерных экспериментах с радиационным блоком НШЬАМ.

Проведена серия экспериментов с учетом эффектов орографии в гидродинамической модели атмосферы высокого разрешения в условиях ясного солнечного дня с искусственным наклоном подстилающей поверхности. Эксперименты показали, что чувствительность температуры к наклону подстилающей поверхности в 15° достигала 4°С.

Проведены полные трехмерные эксперименты с реальными метеорологическими данными и рассчитанными для Карпат орографическими параметрами. Результаты прогнозов сравнивались с прогнозами модели с радиационным блоком без учета орографических эффектов. Эффекты, оказываемые сложной орографией на потоки радиации на поверхности, не вносят вычислительной неустойчивости. Их необходимо учитывать в гидродинамических моделях высокого разрешения. В отдельных областях потоки коротковолновой радиации за счет различных орографических эффектов могут отличаться от потоков радиации на плоской поверхности на 200-300 Вт/м2. Модельная температура за счет орографических эффектов в локальных точках, содержащих большой процент поверхностей определенного направления наклона, в некоторые часы может изменяться до нескольких градусов. Так, в экспериментах для области Карпат изменения температуры в утренние и вечерние часы в локальных точках достигали 1.5°С, в полдень не превышая 0.3°С.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сенькова, Анастасия Владимировна, 2005 год

1. Dubayah, R., 1994: Modeling a solar radiation topoclimatology for the Rio Grande river basin. J. Veg. Sei., 5, 627-640.

2. Dubayah, R., V. van Katwijk, 1992: The topographic distribution of annual incoming solar radiation in the Rio Grande river basin. Geophys. Res. Lett., 19,2231-2234.

3. Dubayah, R., P. M. Rich, 1995: Topographic solar radiation models for GIS. Int. J. Geogr. Inf. Syst., 9,405-419.

4. Dubayah, R., J. Dozier, F. W. Davis, 1990: Topographic distribution of clear-sky radiation over the Konza Prairie, Kanzas, USA. Water Resour. Res., 26, 679-690.

5. Kumar, L., K. Skidmore, E. Knowles, 1997: Modeling topographic variation in solar radiation in GIS environment. Int. J. Geogr. Inf. Sei., 11, 475497.

6. Arnfield, A. J., 1982: An approach to the estimation of the surface radiative properties and radiation budgets of cities. Phys. Geography, 3,97-122.

7. Nunes, M., I. Elliason, J. Lindgren, 2000: Spatial variation of incoming longwave radiation in Goteborg, Sweden. Thear. Appl. Climatol., 67,181-192.

8. Matzinger, N., M. Andretta, E. V. Gorsel, R. Vogt, A. Ohmura, M. W. Rotash, 2003: Surface radiation budget in Alpine valley. Q. J. R Meteorol. Soc., 129, 877-895.

9. Whiteman, C. D., K. J. Allwine, L. J. Fritschen, M. M. Orgill, J. R. Simpson, 1989: Deep Valley Radiation and Surface Energy Budget Microclimates. Part I: Radiation. J. Appl. Meteor, 28,414-426.

10. Whiteman, C.D., K. J. Allwine, L. J. Fritschen, M. M. Orgill, J. R. Simpson, 1989: Deep Valley Radiation and Surface Energy Budget Microclimates. Part II: Energy Budget. J. Appl. Meteor, 28,427-437.

11. Sherer D. and E. Parlow, 1994. Terrain as in important controlling factor for climatological, meteorological and hydrological processes in NW-Spitsbergen. Zeitschriftfur Geomorphologie N.F., Suppl.-BD. 97, 175-193.

12. Sun J., L. Mahrt, 1994: Spatial distribution of surface fluxes estimated from remotely sensed variables. J. Appl. Meteor, 33,1341-1353.

13. Humes K. S., W. P. Kustas, D. C. Goodrish, 1997: Spatially distributed sensible heat flux over a semiarid watershed. Part I: Use of radiometric surface temperature and a spatially uniform resistance. J. Appl Meteor, 36,281-301.

14. Laymon C., D. Quattrochi, E. Malek, L. Hipps, J. Boettinger, G. McCurdy, 1998: Remotely-sensed regional-scale evatranspiration of semi-arid Great Basin desert and its relationship to geomorphology, soil and vegetation. Geomorphology, 21,329-349.

15. Duguay, C. R., 1995: An approach to the estimation of surface net radiation in mountain areas using remote sensing and digital terrain data. Theor. Appl Climatol, 52, 55-68.

16. Schneider, C., E. Parlov, D. Scherer, 1996: GIS-based modeling of energy balance of Tarfala Valley, Sweden using Landsat-TM data. Progress in Environmental Remote Sensing Reasearch and Applicaiont 401-408.

17. Dubayan R., S. Loechel, 1997: Modeling Topographic Solar Radiation Using GOES Data. J. Appl Meteor, 36,141-154.

18. Muller M. D., D. Sherer, 2004: A grid and subgrid scale radiation parameterization of topographic effects for mesoscale weather forecast model. Monthly Weather Review, in print.

19. Oliphant, A. J., R. A. Spronken-Smith, A. P. Sturman, I. E. Owens, 2003: Spatial Variability of Surface Radiation Fluxes in Mountainous Terrain. J. Appl Meteor, 42,113-128.

20. Colette, A., F. K. Chow, R. L. Street, 2003: A numerical study of inversion-layer breakup and effects of topographic shading in idealized valleys. J. Appl Meteor, 42,1255-1272.

21. Avissar, R., R. A. Pielke, 1989: A parameterization of heterogeneousland surfaces for atmospheric numerical model and its impact on regional meteorology. Monthly Weather Review, 117,2113-2135.

22. Кондратьев К. Я. Актинометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1965, 690 с.

23. Кондратьев К.Я., Пивоварова З.И., Федорова М.П. Радиационный расчет наклонных поверхностей. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

24. Белов Д. Н., Борисенко Е. П., Панин Б. Д. Численные методы прогноза погоды. Л., Гидрометеоиздат, 1989, с. 265-269.

25. Ку-Нан Лиоу Основы радиационных процессов в атмосфере. Л., Гидрометеоиздат, 1984,376 с.

26. Dozier, J., J. Frew, 1990: Rapid calculation of terrain parameters for radiation modeling from digital elevation data. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 28,963-969.

27. Dozier J., D. Mark, 1987: Snow mapping and classification from Landsat Thematic Mapper data. Ann. Glaciol., 9,97-103.

28. Mark D., J. Dozier, 1979: A clear-sky longwave radiation model for remote alpine area. Arch. Meteor. Geophys. Bioclimatol., 27B, 159-187.

29. Матвеев Л. Т. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, с. 122-210.

30. Johnson, G. Т., I. D. Watson, 1984: The determination of view-factors in urban canyons. J. Clim. Appl. Meteorol. 23,329-335.

31. Blankenstein S., W. Kuttler, 2004: Impact of street geometry on downward longwave radiation and air temperature in an urban environment. Meteorologische Zeitschriji, Vol. 13, No. 5, 373-379.

32. Сенькова А. В., 2003: Программные комплексы моделей атмосферы // Тезисы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Компьютеры. Программы. Интернет. 2003», Киев, Украина, 21-23 апреля, 2003.

33. HIRLAM scientific documentation. System 5.2., 2002.

34. McDonald, A., 1999: An examination of alternative extrapolations to find the departure point position in a "two-time-level" semi-lagrangian integration. Mon. Wea. Rev., 127,1985-1993.

35. Savijarvi H., 1990: Fast Radiation Parameterization Schemes for Mesoscale and Short-Range Forecast Models. J. Appl. Meteor., 29,437-447.

36. Сенькова А. В., 2003: Особенности радиационного блока модели H1RLAM // Тезисы Международной конференции и школы молодых ученых «Вычислительно-информационные технологии для наук об окружающей среде CITES-2003», Томск, 1-11 сентября, 2003.

37. Chou M.-D., 1986. Atmospheric solar heating in the water vapor bands. J. Appl. Meteor., 25,1532-1542.

38. Sass, B. H., L. Rontu, P. Raisanen, 1994: HIRLAM-2 Radiation Scheme: Documentation and Tests (TR 16).

39. Sasamori T., London J. and Hoyt D., 1972. Radiative budget of the Southern Hemisphere. Meteor. Monogr., 35,9-23.

40. McClatchey R. A., R. W. Fenn, J. E. Selby, F. E. Volz, J. S. Garing, 1971: Optical properties of the atmosphere. Report AFCRL-71-0279, Air Force Cambridge Research Laboratories. 85 pp.

41. Slingo A., Schrecker H. M., 1982: On the shortwave radiative properties of stratiform water clouds. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 23, 145-165.

42. Raisanen, P, M. Rummukainen, J. Raisanen, 2000: Modification of the HIRLAM Radiation Scheme for use in the Rossby Centre Regional Atmospheric Climate Model (TR 49)

43. Ellingson, R. G., J. Ellis, S. Fels, 1991: The Intercomparison of Radiation Codes Used in Climate Model: Long Wave Results. Journal of Geophysical Research, 96, 8929-8953.

44. Rontu L., A. Senkova, 2003: Modifications of the radiation scheme for next reference. HIRLAM Newsletter, No. 44, November 2003, pp. 74-78.

45. Senkova A., L. Rontu, 2003: A study of radiation parameterization for sloping surfaces // Thesis of Baltic HIRLAM Workshop, St. Petersburg, 17-20 November, 2003.

46. Dozier J., J. Bruno, P. Downey, 1981: A faster solution to the horizon problem. Comput. Geosci., 7,145-151.

47. Hydro IK database http://edcdaac.usgs.gov/atopo30/hvdro/

48. Rontu L., 2003a: Derivation of orography-related climate variables for a fine resolution HIRLAM. HIRLAM Newsletter, 44, 83-96.

49. Snyder, K., 1987: Map Projections A Working Manual. U. S. Government Printing Office, 182-190 pp. U. S. Geological Survey Professional Paper 1395.

50. Репинская P. П., А. В. Сенькова, 2004: Параметризация потоков радиации на наклонные поверхности // Материалы Итоговой Сессии Ученого Совета, РГГМУ, 27-28 января, 2004.

51. Н. Savijarvi, 2003: Radiation in high-resolution mesoscale models -what can be done? HIRLAM Newsletter, 43, 65-69

52. Senkova A., 2004: Radiation parameterization for sloping surfaces. HIRLAM Newsletter, No. 45, May 2004, pp. 147-150.

53. Dubayan, R., 1992: Estimating net solar radiation using Landsat Thematic Mapper and digital elevation data. Water Resour. Res., 28, 2469-2484.