Автореферат (Влияние данных измерений содаров и температурных профилемеров на качество численного прогноза характеристик атмосферного пограничнго слоя)

На правах рукописиСмирнова Мария МихайловнаВЛИЯНИЕ ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ СОДАРОВ И ТЕМПЕРАТУРНЫХПРОФИЛЕМЕРОВ НА КАЧЕСТВО ЧИСЛЕННОГО ПРОГНОЗАХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯСпециальность 25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2014Работа выполнена на физическом факультете Федерального государственного бюджетногообразовательного учреждения высшего профессионального образования «Московскийгосударственный университет имени М.В.Ломоносова».Научный руководитель:доктор физико-математических наукРубинштейн Константин ГригорьевичФедеральное государственное бюджетное учреждение "Гидрометеорологическийнаучно-исследовательский центр Российской Федерации"Официальные оппоненты:доктор физико-математических наукРепина Ирина АнатольевнаФедеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт физикиатмосферы им.

А.М.Обухова Российской академии наук», Отдел динамики атмосферы,лаборатория взаимодействия атмосферы и океана, заведующая лабораториейдоктор физико-математических наукНовицкий Михаил АлександровичФедеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-производственноеобъединение «Тайфун», Институт экспериментальной метеорологии, заведующийлабораториейВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение «Арктический и антарктическийнаучно-исследовательский институт»Защита состоится 18 декабря 2014 г. в 16.00 на заседании Диссертационного СоветаД 501.001.63 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова поадресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, дом 1, строение 2,МГУ имени М.В.Ломоносова, физический факультет, аудитория СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ (Ломоносовский просп.,д.27) и на сайте www.phys.msu.ruАвтореферат разослан _______________.Ученый секретарь Диссертационного Советакандидат физико-математических наук, доцент2В.Б.СмирновОбщая характеристика работыАктуальность работыАтмосферный пограничный слой (АПС) является важнейшей, но все еще недостаточно изученной частью атмосферы.

Благодаря экспериментальным исследованиям егохарактеристик возможно получить большое количество информации о его структуре,эволюции и свойствах. Одновременно с этим, много работ посвящено совершенствованиюметодов описания АПС в моделях динамики атмосферы, с целью, по возможности, описатьвсе наблюдающиеся его особенности. Однако, часто совершенствование моделей иэкспериментальное исследование АПС проводятся различными научными группамиобособленно друг от друга.

Данная работа направлена на восполнение этого разрыва.При сопоставлении и совместном использовании моделей и наблюдений важноучитывать свойства измерений и особенности моделей. Каждый вид измерений имеет своихарактерные особенности, которые следует учитывать при их использовании в моделях.Например, измерения на разной высоте могут проводиться с разной точностью. Или дляопределения одной и той же величины могут применяться разные ее определения, чтоприводит к разночтениям по измерениям разными приборами и разными исследователями,поэтому при сравнении нужно отчетливо понимать какая именно характеристикарассматривается.

С другой стороны измерения проводятся в точках, куда помещенизмерительный прибор, а модельные данные представляют собой некоторое среднее попространству расчетной сетки. Другой особенностью моделей является то, что рядфизических процессов в них не описывается явно, а параметризуется, например,турбулентные процессы в АПС в большинстве моделей динамики атмосферы. В такомслучае ряд модельных характеристик не может быть измерен напрямую, не имеет прямогофизическогосмысла,аслужитдляпараметрическогоописаниянаблюдающихсязакономерностей.Использовать данные измерений в моделях можно несколькими способами.Во-первых, данные измерений могут быть использованы для валидации моделейдинамики атмосферы, в частности проверки адекватности природе описания АПС.

Т.к.свойства АПС сильно зависят от свойств подстилающей поверхности, характеристиклокального рельефа, то необходим контроль моделей в самых разных точках и типахместности. Большинство оценок качества модельных данных осуществляется для приземныххарактеристик или в свободной атмосфере, в то время как для понимания процессов,происходящих в АПС, и решения многих задач (например, задач связанных сраспространением аэрозолей, загрязнений, радиации) важно знать именно высотноераспределение температуры, ветра и других характеристик в АПС. Схемы описания АПС3рассчитаны на описание разных типов состояния АПС, так, одни лучше работают, например,для морских пограничных слоев, другие – для конвективных и т.д.

Процессы,учитывающиеся в одной схеме, не всегда разрешаются в другой. Использование данныхизмерений позволяет более обосновано выделить схемы, наиболее подходящие дляопределенного региона и характерных условий. Такая работа непрерывно ведется внекоторых научных центрах мира для разных моделей. Но необходимость контроля в разныхусловиях и постоянное совершенствование схем АПС делают эту задачу необходимой напостоянной основе в разных точках мира. В России валидация описания АПС в моделях донастоящего времени не велась.

Эта проверка могла бы позволить оценить областиприменимости и возможности численных моделей атмосферы и способствовать ихсовершенствованию.Во-вторых, данные измерений в АПС могут быть усвоены в модели для улучшениязадания начальных условий интегрирования. Для описания процессов с детальнымпространственнымразрешением(несколькокилометров)широкоиспользуютмезомасштабные модели динамики атмосферы. Для таких моделей начальными полямимогут служить различные анализы и реанализы, которые, как правило, имеют достаточногрубое пространственное разрешение и не учитывают локальные особенности полейметеорологических параметров.

Так же, при их расчете могут быть не доступными многиелокальные данные измерений. Из-за такого рода причин могут возникать значительныерасхождения данных измерений и результатов анализов. А неправильное задание начальногосостояния АПС может приводить к заметным ошибкам в прогнозах его развития. Усвоениеданных наблюдений позволяет приблизить начальные поля модели к реальному состояниюатмосферы. Некоторые типы данных остаются до сих пор не охваченными существующимисистемами усвоения данных, а используемые в них методы усвоения не всегда применимы кновым типам данным.Наконец,однимизвозможныхважныхпрактическихприложенийзнанияхарактеристик турбулентности является прогноз порывов ветра. Вариации скорости ветра ипорывы ветра как экстремальные проявления этих вариаций являются результатомперемешивания момента импульса посредством турбулентности в АПС.

Порывы ветраявляются статистической мерой атмосферной турбулентности. Измерения турбулентнойкинетической энергии (ТКЕ) позволяют валидировать непосредственно модели АПС,использующие в своей основе уравнение баланса ТКЕ. Сама ТКЕ может быть использованадля прогноза скорости порывов ветра. При этом сравнение прогнозируемых и измеряемыхскоростей порывов ветра позволяет сделать некоторые выводы о прогнозируемой ТКЕ.4Цели и задачи диссертационной работыЦелью диссертационной работы является исследование путей совершенствованияописания АПС в численных моделях на основе данных измерений.Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:•разработка системы оценок вертикальных профилей температуры иветра в АПС•оценка воспроизведения численной мезомасштабной моделью динамикиатмосферы WRF-ARW профилей температуры и ветра в АПС с использованиемданных микроволновых температурных профилемеров и содаров;•разработка методов усвоения данных микроволновых профилемеров отемпературе и содаров о ветре в модели WRF-ARW;•оценка чувствительности прогнозов приземной температуры и ветра вмезомасштабной модели WRF-ARW к усвоению данных наблюдений в пограничномслое атмосферы;•оценка влияния усвоения профилей метеовеличин в АПС на качествопрогноза профилей температуры и ветра в модели WRF-ARW;•разработка метода расчета порывов приземного ветра.Научная новизнаОсновные результаты диссертации получены впервые.

К ним относятся:•систематическое сравнение профилей температуры и ветра в АПС,прогнозируемых с помощью модели WRF-ARW, с данными наблюдений на высотах вМосковском регионе;•исследование возможности усвоения данных содаров и температурныхпрофилемеров в модели динамики атмосферы на Европейской территории России;•разработка гибридного метода расчета порывов ветра.Основными результатами диссертации, выносимыми на защиту, являются:• Системаконтроляхарактеристикрассчитанныхпомоделивертикальных профилей температуры и ветра (градиентов, типов стратификации,приземных и приподнятых инверсий, поворота ветра с высотой) по измерениям ватмосферном пограничном слое (микроволновых температурных профилемеров исодаров, которая может работать в оперативном режиме.• ОценкивоспроизведениямодельюWRF-ARWхарактеристикатмосферного пограничного слоя.