Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Таким образом, процедура интегрирования состоит из двух основных циклов: внешний цикл интегрирования на большом шаге по времени с использованием схемы Рунге-Кутта и внутреннего цикла с интегрированием акустической моды. После завершения внешнего цикла рассчитываются переменные, присутствующие в процедурах параметризации, хотя в принципе их можно рассчитывать на каждом из трех этапов схемы Рунге-Кутта.

2.6 Пространственная дискретизация

Для пространственной дискретизации в схеме ARW используется сетка С по классификации Аракавы. Расположение части переменных на этой сетке показано на рис. 2.1. Точки, в которые помещается , будут называться в дальнейшем массовыми, а точки, в которые помещаются компоненты скорости и будут называться точками и .

Переменная помещается в массовые точки, геопотенциал - в точки , а переменные, характеризующие атмосферную влагу – в массовые точки. Диагностические переменные и также помещаются в массовые точки. На акустическом шаге по времени пространственные производные аппроксимируются центральными разностями второго порядка.

В схеме Рунге-Кутта третьего порядка для пространственной дискретизации переменных, не требующих условия положительной определенности, могут применяться схемы от второго до шестого порядка аппроксимации.

Схемы с четным порядком аппроксимации являются центральными и не вносят искусственной вязкости за исключением той, которая присуща интегрированию по времени методом Рунге-Кутта третьего порядка.

Схемы нечетного порядка состоят из схемы следующего по номеру четного порядка и члена с направленными разностями, т.е. содержат вычислительную вязкость.

Рисунок 2.1 - Горизонтальная и вертикальная сетки, используемые в динамическом блоке ARW

2.7 Ограничения на устойчивость

При работе с моделью ARW пользователь должен задать шаг по времени в схеме Рунге-Кутта третьего порядка и акустический шаг по времени. Оба они ограничиваются числом Куранта.

В ARW рекомендуется использовать шаг менее теоретически допустимого, т.е. , где – максимальная ожидаемая скорость. Обычно используется шаг по времени на 25% менее теоретически допустимого.

Этот шаг, тем не менее, примерно в 2 раза больше, чем при использовании схемы чехарды (leap-frog). Можно пользоваться также простым правилом: шаг по времени в секундах должен быть примерно в 6 раз больше горизонтального шага сетки в километрах.

Схема вперед-назад, используемая в ARW на акустическом шаге, допускает максимальное значение числа Куранта

,

где – скорость звука.

Обычно делается некоторый запас и вместо множителя используется множитель , т.е. акустический шаг по времени выбирается исходя из условия .

Например, при . В ARW отношение между шагом по времени в схеме Рунге-Кутта третьего порядка и акустическим шагом по времени должно быть четным числом, поэтому при нужно взять

В настоящей работе используется метеорологические данные предоставленные Хабаровским метеоцентром в период со 2 по 12 июля 2014 года и рассчитанные по указанной модели с шагом 15 км по горизонтали [8, 9].

3 Моделирование переноса примеси при лесополевом пожаре

1. Общая информация о лесах

По оценкам, в мире общая площадь лесов в 2010 году, чуть более 4 миллиарда гектаров или 31 процент от поверхности суши, что соответствует в среднем 0,6 га леса на душу населения. Тем не менее, площадь лесов распределяется неравномерно. Пять самых богатых лесами стран (Российская Федерация, Бразилия, Канада, Соединенные Штаты Америки и Китай) приходится более половины от общей площади лесов (53 %).[10]

Леса России составляют около 809 миллионов гектар, что занимают около 45 % площади страны и является 20 % от общей площади лесов в мире. По обеспеченности лесами Россия занимает первое место в мире.

В разных частях страны леса произрастают в различных почвенно-климатических условиях, что сформировало различные типы лесов по составу образующих их пород деревьев.

Свыше 80% площади лесов России занимают хвойные леса, которые лучше лиственных переносят суровую зиму, прохладное лето, а также избыточное увлажнение. К хвойным лесам относятся темнохвойные, состоящие их еловых и пихтовых лесов, а также светлохвойные: сосновые, кедровые, и лиственничные леса [11].

Самые распространённые породы: лиственница, сосна, ель и кедровая сибирская сосна. Рекордсменом среди хвойных по устойчивости к низким температурам является лиственница, которая на зиму сбрасывает хвою, сокращает испарение и поэтому полностью предохраняет себя от вымерзания, выдерживая температуру до минус 70°С.

Леса на территории России распространены там, где среднемесячные температуры июля превышают 10°С, а увлажнение достаточное или избыточное. Сосредоточены они в основном в восточных районах – в Сибирском и Дальневосточном федеральных округах, а также в Северо-Западном федеральном округе.

Для Дальневосточного федерального округа характерны смешанные хвойно-широколиственные леса. Они образуют переходную полосу между тайгой и широколиственными лесами, большей частью распространены на равнинах и в нижних поясах горных массивов, в более или менее оптимальных лесорастительных условиях, отличающихся умеренным влажным климатом и более лучшими почвами.

В составе смешанных хвойно-широколиственных лесов на Дальнем Востоке чаще всего представлены сосна кедровая корейская (кедр корейский), ель аянская, пихта белокорая, дуб монгольский, ясень маньчжурский, лиственница, липа амурская и другие породы.

Хабаровский край относится к группе многолесных регионов Российской Федерации. Лесами покрыто 67 % территории края. Общая площадь лесного фонда составляет 75,5 млн. га. Покрытая лесом площадь составляет 52,5 млн. га или 70 % от общей площади лесного фонда.

Общий запас древесины на корню составляет около 5 млрд. м³, из них хвойных около 3 млрд. м³. В Хабаровском крае произрастает более 300 видов деревьев и кустарников. Основными лесообразующими породами являются лиственница даурская и ель аянская. Наибольшую территорию (63% всех покрытых лесом земель) занимают лиственничные леса.

В крае сосредоточено более половины всех дальневосточных ельников. Здесь произрастают такие ценные породы, как бархат амурский, тис, орех маньчжурский, лимонник китайский, актинидия и многие другие [12].

Мировые леса хранят более 650 миллиардов тонн углерода, 44% в биомассе, 11% в сухостое и подстилке (валежнике), и 45% в почве. Хотя экологически рациональное использование, высадка и реабилитация лесов могут сохранить или увеличить запасы углерода, он сокращается вследствие обезлесения, деградации лесов и их нерационального управления [10].

Для мира в целом, запасы углерода в лесной биомассе в 2005-2010 снижалось ежегодно примерно на 0,5 гигатонн. Главным образом, это было связанно со снижением мировой площади лесов, и несмотря на увеличение запаса древостоя в некоторых регионах.

Пожар является одним из основных видов вмешательств в жизнедеятельность лесов, которое может носить как положительный, так и отрицательный характер. Некоторые лесные экосистемы приспособлены к пожарам и нуждаются в них для сохранения своей жизнеспособности и репродуктивного потенциала.

В то же время пожары зачастую выходят из-под контроля и уничтожают лесную растительность и биомассу, что, в свою очередь, приводит к значительной эрозии почв под действием воды и ветра. Пожары негативно отражаются не только на лесах, их функциях и услугах, но и угрожают другим ресурсам, здоровью, жизни и материальному благосостоянию человека.

Пожары приводят к задымлению и осаждению загрязняющих веществ, а также к выделению парниковых газов. Риск возникновения лесных пожаров увеличивается как из-за неконтролируемого расширения сельскохозяйственных угодий за счет покрытых лесом участков земли, так и в результате более активного использования лесов в рекреационных и туристических целях.

3.2 Лесные пожары: классификация, причины возникновения

Лесной пожар представляет собой стихийное неконтролируемое аэротермохимическое явление, в рамках которого имеют место испарение свободной и связанной в органическом веществе воды, пиролиз и горение лесных горючих материалов (ЛГМ), а также перенос энергии и веществ из зоны пожара в результате конвекции и излучения [11].

ЛГМ подразделяются на следующие группы:

а) почвенные;

б) напочвенные;

в) ступенчатые;

г) кроновые.

Почвенные ГМ – все ГМ ниже напочвенного покрова, которые обычно поддерживают процесс беспламенного горения или тления, связанного с почвенными пожарами. Этот тип ЛГМ включает подстилку, корни деревьев и кустарников, гнилую древесину, торф и опилки.

Напочвенные ГМ – ЛГМ, находящиеся в непосредственном контакте с почвой (мхи, лишайники, веточки, листья, хвоя)

Ступенчатые ГМ – ЛГМ, служащие ступеньками для перехода низового пожара в верховой. Они обеспечивают вертикальную непрерывность между слоями и позволяют пожару переходить от наземных ЛГМ на кроны деревьев или кустарников (воспламенение в форме факела, вспыхивание крон) и поддерживать непрерывное распространение верховых пожаров.

Кроновые (надземные) ГМ – живые и отмершие ЛГМ, непосредственно не контактирующие с землей и состоящие в основном из листвы, побегов, ветвей, стеблей, коры, шишек, лиан и других вьющихся растений, мха и высокого кустарника. Они легко высыхают и могут переносить низовой пожар в полог. Кроновые ГМ в основном сгорают при верховых пожарах.

В зависимости от характера возгорания и состава леса лесные пожары подразделяются на низовые, верховые и почвенные.

Для низового пожара характерна вытянутая форма пожарища с неровной кромкой. Дым имеет светло-серый цвет. Скорость распространения низовых пожаров против ветра в 6–10 раз меньше, чем по ветру. В ночное время скорость распространения пожара меньше, чем днем. При изменении направления ветра усложняется определение формы пожара.

При низовом пожаре сгорает лесная подстилка, лишайники, мхи, травы, опавшие на землю ветки и т. п. Скорость движения пожара по ветру составляет 0,25-5 км/ч. Высота пламени достигает 2,5 м. Температура горения около 700 °C (иногда выше). По скорости распространения огня низовые пожары подразделяют на беглые и устойчивые [13].

При низовом беглом пожаре преобладает пламенный тип горения, при устойчивом – беспламенный. При беглом низовом пожаре сгорает верхняя часть живого и мертвого напочвенного покрова, валежник, самосев леса, хвойный подрост и подлесок. Такой пожар распространяется с большой скоростью, обходя места с повышенной влажностью, поэтому часть площади остается незатронутой огнем. Беглые пожары в основном происходят весной, когда просыхает лишь самый верхний слой мелких ГМ.

Устойчивые низовые пожары более опасны, так как при них глубоко повреждаются подстилка и живые деревья.

Они распространяются медленно, при этом полностью выгорает живой и мертвый напочвенный покров, сильно обгорают корни и кора деревьев, полностью сгорают подрост и подлесок. Устойчивые пожары возникают преимущественно с середины лета, когда просыхает подстилка.

Верховые пожары наиболее опасны, и борьба с ними особенно трудна. Такой пожар охватывает листья, хвою, ветви и всю крону, может охватить травянисто-моховый покров почвы и подрост. Огонь движется со скоростью, 5 ‒ 30 км/ч, захватывая огромные площади и принося страшные разрушения [14].

Развиваются они обычно при засушливой ветреной погоде из низового пожара в насаждениях с низкоопущенными кронами, в разновозрастных насаждениях, а также при обильном хвойном подросте.

Характеристики

Список файлов ВКР