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 моделитрехмерных экспериментов с искусственными склонамиполных 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

.

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 учетаисследованы 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 °C.

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.