Чисельне моделювання мезо і мікроструктури фронтальних смуг хмар та опадів над заданою територією

13. Numerical simulation in optimization of precipitation enhancement field experiment // Proc. of the 8th WMO scientific conference on weather modification. - Casablanca (Morocco). - 2003. - WMO/TD-No. 1124. - P. 195-198. Співавтори - Palamarchuk L.V. and A.M. Pirnach.

14. Mesoscale and microphysical numerical simulation of frontal rainbands over the Antarctic Peninsula // Int. Workshop on Polar Lows & High Latitude Marine Weather Systems at IUGG. - Sapporo (Japan). - 2003.

15. Мезомасштабні та мікрофізичні властивості смуг хмар та опадів фронтальної системи циклону вибухового поглиблення над Антарктичним півостровом // Український антарктичний журнал. - 2003. - №1. - С. 85-92. Співавтор - Пірнач Г.М.

АНОТАЦІЇ

фронтальний хмара мікрофізичний модель

Краковська С.В. Чисельне моделювання мезо і мікроструктури фронтальних смуг хмар та опадів над заданою територією. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика.- Інститут геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена чисельному моделюванню мезомасштабних та мікрофізичних процесів, що відбуваються у фронтальних хмарах і визначають опадоутворення в них. Розроблено оригінальну модель хмарної тропосфери, що ґрунтується на комплексному використанні одновимірної нестаціонарної мікрофізичної моделі та тривимірної діагностичної моделі фронтальних систем хмар та опадів в тропосфері. Вперше для вивчення фронтальних хмар та опадів над Антарктичним півостровом застосовано нову комбіновану модель. Побудовано дво та тривимірні діагностичні моделі атмосферних фронтів, пов'язаних з конкретними синоптичними ситуаціями над різними територіями земної кулі. Побудовано одновимірні прогностичні моделі хмар з детальним описом еволюції хмарних частинок (крапельок, великих крапель, льодяних кристалів, ядер конденсації та льодоутворення). Проведено теоретичну інтерпретацію натурних експериментів з активних впливів на фронтальні хмари з різними цілями і над різними територіями (ЕМП в Дніпропетровській обл., Крим і Москва). Визначені умови для отримання додаткових опадів з фронтальних хмар за допомогою чисельного моделювання хмар при їх природній еволюції та при активних впливах.

Ключові слова: чисельна модель хмарності та опадів, атмосферний фронт, мікрофізика хмар, опадоутворення, кінетичне рівняння функції розподілу частинок хмар та опадів за розмірами, коагуляція хмарних частинок, активні впливи на хмари, фронтальні хмари та опади, затоплена конвекція, Антарктичний півострів.

Краковская С.В. Численное моделирование мезо и микроструктуры фронтальных полос облаков и осадков над заданной территорией.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Институт геофизики им. С. И. Субботина НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена численному моделированию мезомасштабных и микрофизических процессов в тропосфере, которые определяют облако и осадкообразование на атмосферных фронтах. Численные модели, разработанные и усовершенствованные автором, были посвящены главным образом теоретической интерпретации натурных экспериментов по исследованию фронтальных облаков при естественном ходе развития и при активных воздействиях с целью регулирования осадков. Они позволили получить мезомасштабные и микрофизические характеристики изучаемых фронтальных облаков и, таким образом, дополнить или даже заменить отсутствующие экспериментальные данные. Данный подход позволяет оптимизировать и снизить затраты на проведение экспериментов во фронтальных облаках.

В диссертации представлено результаты численных экспериментов, в которых получено новые данные о зависимостях: (1) микрофизических характеристик фронтальных облаков (концентрации, средних радиусов, спектров облачных частиц и др.) от мезомасштабних термодинамических параметров (температуры и восходящих движений), а также от наличия и интенсивности разных механизмов осадкообразования; (2) интенсивности формирования осадков твердой и жидкой фаз и их мезомасштабного распределения во времени и пространстве от микрофизических характеристик (концентраций ядер льдообразования и конденсации) и процессов (замерзание и коагуляции облачных частиц).

Получены оптимальные значения параметров в соотношениях для активации ядер конденсации и льдообразования, которые приводят к реализации всего влагозапаса облака. Представленные результаты численных экспериментов показали, что при одних и тех же термодинамических условиях жидкие осадки, которые сформированы благодаря процессам конденсации и коагуляции, меньшее зависят от концентраций ядер конденсации и сублимации, чем твердые осадки, которые более чувствительны к изменениям концентраций этих ядер.

Моделирование разных механизмов осадкообразования показало, что при определенных условиях некоторые из них могут быть исключены из рассмотрения. В этом случае другие механизмы становятся более интенсивными, например, коагуляция маленьких капель с большими. Это приводит к тому, что и при этом условии влагозапас облака может полностью реализоваться в виде осадков.

Проведена теоретическая интерпретация натурных экспериментов по исследованию фронтальных облаков, на которые проводили активные воздействия с разными целями и над разными территориями (ЕМП в Днепропетровской обл., Крым, Москва), а также определены условия для перераспределения осадков из данных фронтальных облаков. Расчеты эволюции фронтальных облаков при их естественном развитии и при активных воздействиях показали большое значение для получения дополнительных осадков наличия и свойств зон в облаках, которые засевают естественными кристаллами (seeder) и в которых есть условия для роста кристаллов (feeder). Для получения дополнительных осадков активные воздействия на feeder-зоны желательно проводить до начала естественного засева из seeder-зон. Наилучшие потенциальные возможности для увеличения осадков были найдены на стадии развития циклона, которая предшествовала его окклюдированию.

Интегральные характеристики, которые рассчитываются в диагностических моделях, позволяют получить представление об осадкообразующей способности фронтальной облачности как в целом, так и ее отдельных участков, что в свою очередь также позволяет оценить целесообразность воздействий в каждом конкретном случае. Такую оценку можно сделать на основе соотношения в положении максимумов интегрального пересыщения по отношению ко льду и интегральной термодинамической скорости конденсации, а также сравнивая последнюю характеристику с естественной интенсивностью осадков.

Была предложенная и реализована в моделях методика определения вероятного местонахождения фронтальных облаков и ячеек затопленной конвекции в них по совокупной оценке значений вертикальных движений, термодинамической скорости конденсации, пересыщения по отношению ко льду и влажнонеустойчивых зон. Выявленные зоны влажной и динамической неустойчивости во фронтальных системах облаков могут быть индикаторами вероятного развития кучевых облаков или затопленной конвекции, с которыми, как правило, связанны усиленные осадки, а также, например, обледенение и болтанка самолетов.

Численное моделирование подтвердило данные наблюдений о том, что фронтальные облачность и осадки как правило имеют полосовую структуру, но полосы облаков и осадков неоднородны и состоят из отдельных ячеек с разной интенсивностью осадков. Получение ячейковой структуры внутри полосы осадков в моделировании на вложенной сетке свидетельствует о стабильном и длительном существовании этой фронтальной облачности и осадков. Отсутствие неоднородной структуры или уменьшение полосы осадков в моделировании на вложенной сетке свидетельствует о недостаточности начальных данных для моделирования, сеточного разрешения, или же указывает на то, что осадкообразование в данном регионе не связанно с фронтальными процессами.

В диссертации представлена оригинальная модель облачной тропосферы, которая основана на одномерной нестационарной микрофизической модели и трехмерной диагностической модели фронтальных систем облаков и осадков в тропосфере. Численные эксперименты показали, что разработанная модель в целом адекватно отражает реальные процессы и мезомасштабные образования в облачной тропосфере даже в условиях ограниченного количества данных в районе Антарктического полуострова, что было подтверждено качественным сопоставлением результатов численного моделирования, данных радиозондирования, синоптического анализа, наземных наблюдений и измерений. Разработанные методики исследований, модели и полученные результаты относительно характеристик облачности в районе Антарктического полуострова могут быть использованы для планирования и оптимизации проведения экспедиционных и других работ в данном районе, связанных с большими материальными затратами.

Ключевые слова: численная модель облачности и осадков, атмосферный фронт, микрофизика облаков, осадкообразование, кинетическое уравнение функции распределения частиц облаков и осадков по размерам, коагуляция облачных частиц, активные воздействия на облака, фронтальные облака и осадки, затопленная конвекция, Антарктический полуостров.

Krakovskaia S.V. Numerical simulation meso and microstructure of frontal rainbands over target areas. - Manuscript.

Thesis is for a scientific degree of a Candidate of Physic and Mathematic Sciences in the specialty 04.00.22 - geophysics. Institute of geophysics named after S.I.Subbotin, NASU, Kyiv, 2003.

The thesis is devoted to numerical simulations of mesoscale and microphysical processes that could affect the precipitation formation in frontal clouds. A peculiar model of cloudy troposphere based on 1-D prognostic microphysical and 3-D diagnostic mesoscale models of frontal rainbands has been worked out. This new combined model has been applied for frontal rainbands study over the Antarctic Peninsula for the first time. 2-D and 3-D diagnostic models of real atmospheric fronts over different regions of the Earth have been constructed. 1-D prognostic models of clouds with explicit microphysics presented evolutions of droplets, raindrops, ice crystals, cloud condensation nuclei, ice nuclei have been constructed. Theoretical interpretation of the field experiments on frontal cloudiness with different aims and over different target areas (Dnipropetrovsk region, the Crimea, Moscow) have been carried out. Favorable conditions for precipitation enhancement in frontal cloudiness have been determined by numerical simulations of a cloud evolution in nature and in case of artificial seeding.

Key words: numerical model of cloudiness and precipitation, atmospheric front, cloud microphysics, precipitation formation, kinetic equation of size distribution function for cloud and precipitation particles, coagulation of cloud particles, active influences on clouds, frontal rainbands, embedded convection, the Antarctic Peninsula.

Размещено на Allbest.ru