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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшегопрофессионального образования «Московский государственный университет имениМ.В.Ломоносова»На правах рукописиСмирнова Мария МихайловнаВлияние данных измерений содаров и температурныхпрофилемеров на качество численного прогноза характеристикатмосферного пограничного слоя25.00.29 – физика атмосферы и гидросферыДиссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наукНаучный руководитель Рубинштейн К.Г.Москва -2014СодержаниеВведение (часть автореферата) ............................................................................................................ 3Глава 1.

Обзор исследований атмосферного пограничного слоя в контексте совместногоиспользования измерений и моделей ................................................................................................... 91.1 Способы измерения характеристик атмосферного пограничного слоя (АПС)...................... 91.2 Описание АПС в моделях.......................................................................................................... 181.3 Обзор работ по совместному использованию данных наблюдений и моделей. .................. 281.3.1 Сравнение вертикальный профилей метеовеличин в АПС ............................................

281.3.2 Усвоение данных. ................................................................................................................ 31Глава 2. Использование данных измерений в АПС для оценки его воспроизведения численнойрегиональной моделью динамики атмосферы .................................................................................. 352.1 Выбор параметров модели для расчетов..................................................................................

352.1.1 Методика оценки ................................................................................................................. 382.1.2 Сравнение отдельной области и области с вложенными сетками ................................. 392.1.3 Сравнение различных параметризаций АПС ................................................................... 422.2 Сравнение температуры на различных уровнях ..................................................................... 492.3 Сравнение ветра на различных уровнях ..................................................................................

522.4 Воспроизведение стратификации ............................................................................................. 552.5 Зависимость ошибок от типа стратификации ......................................................................... 57Выводы из главы 2 ...........................................................................................................................

60Глава 3. Усвоение данных стандартных измерений ......................................................................... 613.1 Система усвоения данных WRFDA и характеристики расчетов........................................... 613.3 Анализ возможностей усвоения данных на примерах ........................................................... 653.3.1 Случай сильного мороза в Мурманской области.............................................................

653.3.2 Пример прогноза поля приземного ветра в районе Японии ........................................... 683.3.2 Уменьшение влияния изменения начальных данных в зависимости отзаблаговременности ..................................................................................................................... 693.4 Уточнение начальных полей при усвоении данных стандартных измерений ..................... 703.5 Статистический анализ степени влияния усвоения данных на прогноз ............................... 74Выводы из главы 3 ........................................................................................................................... 80Глава 4. Усвоение данных измерений профилей в АПС ..................................................................

814.1 Эксперименты по усвоению данных профилемеров МТП-5 ................................................. 814.3 Эксперименты по моделированию усвоения профилей ......................................................... 85Выводы из главы 4 ...........................................................................................................................

90Глава 5. Порывы ветра ......................................................................................................................... 915.1 Методы расчета порывов ветра ................................................................................................ 925.2 Результаты расчетов................................................................................................................... 945.2.1 Пример прогноза .................................................................................................................

945.2.3 Сравнение характеристик турбулентности....................................................................... 955.2.4 Сравнение методов с наблюдениями в г. Москва ............................................................ 965.2.5 Прогноз значительных порывов ветра .............................................................................. 975.3 Оценка прогнозов порывов ветра на сети синоптических станций на Европейскойтерритории России ........................................................................................................................... 98Выводы из главы 5 ......................................................................................................................... 102Заключение .........................................................................................................................................

103Список литературы ............................................................................................................................ 1052Введение(часть автореферата)Актуальность работыАтмосферный пограничный слой (АПС) является важнейшей, но, тем не менее, недостаточно изученной частью атмосферы. Благодаря экспериментальным исследованиям егохарактеристик возможно получить большое количество информации о его структуре, эволюциии свойствах. Одновременно с этим, много работ посвящено совершенствованию методовописания АПС в моделях динамики атмосферы, с целью, по возможности, описать всенаблюдающиеся его особенности.

Однако, часто «улучшение» моделей и экспериментальноеисследование АПС проводятся различными научными группами обособленно друг от друга.Данная работа направлена на восполнение этого разрыва.При сопоставлении и совместном использовании моделей и наблюдений важно обращатьвнимание на особенности и тех, и других. Разные типы измерений имеют свои характерныеособенности, которые следует учитывать при их использовании в моделях. Например,измерения на разной высоте могут проводиться с разной точностью.

Или для определенияодной и той же величины могут применяться разные ее определения, что приводит кразночтениям по измерениям разными приборами и разными исследователями, поэтому присравнении нужно хорошо понимать какая именно характеристика рассматривается. С другойстороны, измерения проводятся в точках, а модельные данные представляют собой некотороесреднее по пространству расчетных величин. Другой особенностью моделей является то, чторяд физических процессов в них не описывается явно, а параметризуется, например,турбулентные процессы в АПС в большинстве моделей динамики атмосферы.

В таком случаеряд модельных характеристик не может быть измерен напрямую, не имеет прямогофизического смысла, а служит для параметрического описания наблюдающихся зависимостей.Использовать данные измерений в моделях можно несколькими способами.Во-первых, данные измерений могут быть использованы для валидации моделейдинамики атмосферы, в частности описания АПС. Т.к.

свойства АПС сильно зависят от свойствподстилающей поверхности, характеристик локального рельефа, то необходим контрольмоделей в самых разных точках и типах местности. Большинство оценок качества модельныхданных осуществляется для приземных характеристик или в свободной атмосфере, в то времякак для понимания процессов, происходящих в АПС, и решения многих задач (например, задачсвязанных с распространением аэрозолей, загрязнений, радиации) важно знать именновысотное распределение температуры, ветра и других характеристик в АПС.

Разные схемы3описания АПС рассчитаны на описание разных типов состояния АПС, так, одни лучшеработают, например, для морских пограничных слоев, другие – для конвективных и т.д.Процессы, учитывающиеся в одной схеме, не всегда разрешаются в другой. Использованиеданных измерений позволяет более обосновано выделить схемы, наиболее подходящие дляданного региона и характерных условий. Такая работа непрерывно ведется в некоторыхнаучных центрах мира для разных моделей. Но необходимость контроля в разных условиях ипостоянное совершенствование схем АПС делают эту задачу необходимой на постояннойоснове в разных точках мира.