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

Текст из файла (страница 4)

Во всех перечисленных выше методиках при расчете турбулентного обмена для скаляров значение числа Прандтля берется равным 1/3.

Третья возможность расчетов K_h и K_v - это замыкание порядка 1,5 с использованием прогностического уравнения для турбулентной кинетической энергии. Методики расчета вязких членов, K_h и K_v достаточно подробно описаны в работе Скамароха.

Помимо турбулентной вязкости в схеме ARW имеется ряд фильтров, обеспечивающих вычислительную устойчивость.

Внешние моды на акустическом шаге по времени подавляются фильтрацией вертикально проинтегрированной горизонтальной дивергенции. Это достигается добавлением членов в прогностические уравнения для горизонтальных компонентов скорости, в которые входит с отрицательным знаком вертикально проинтегрированная дивергенция массы с предыдущего акустического шага. Действие этих членов регулируется коэффициентом затухания . В схеме ARW обычно принимается независимо от шага по времени и шага сетки.

Для подавления неустойчивости, связанной с вертикальным и горизонтальным распространением акустических волн, используется взвешивание переменных на разных временных уровнях. Эта процедура применяется при интегрировании уравнения для вертикальной скорости и уравнения для геопотенциала.

В качестве дополнительного фильтра можно использовать слой, поглощающий гравитационные волны вблизи верхней границы. Это достигается введением в заданном слое параллельных коэффициентов горизонтальной и вертикальной диффузии, пропорциональных квадрату шага сетки по соответствующему направлению. Если эти коэффициенты оказываются больше, чем коэффициенты, рассчитанные по одной из перечисленных выше методик, то они заменяют последние.

Можно использовать также слой с релеевским затуханием в прогностических уравнениях для u, v, w и с тем, чтобы постепенно приближать величины указанных выше переменных к их фоновым значениям.

Имеется возможность подавления вертикальной скорости. В этом случае определяются точки, в которых число Куранта для w приближается к предельному, и в них включается член с релеевским затуханием в прогностическое уравнение для w.

2.3 Настройка модели для моделирования

Перед началом моделирования необходимо определить область расчета, советующую масштабу атмосферных процессов. В модели были заданы три вложенные расчетные квадратные сетки покрывающие интересующий район. Стороны сеток составляют соответственно 1000 км, 333 км и 111 км, а шаг по пространству 4,5; 1,5 и 0,5 км. третий домен полностью включает территорию города (Благовещенск или Хабаровск в зависимости от территории эксперимента), как показано на рисунке 2.1. Такие шаги сеток были выбраны из расчета, что при уменьшении шага до 1 км и менее уравнения модели напрямую позволят моделировать конвективные процессы. По вертикали от уровня земли до изобарической поверхности 50 гПа задана неравномерная сетка, содержащая 31 уровень с наиболее подробным разрешением в пограничном слое атмосферы.

Рисунок 2.1 – Область расчета

При использовании сеток с таким мелким шагом по пространству требуется иметь достаточно детализированные поля подстилающей поверхности. Поэтому в модель WRF было подано поле рельефа (рисунок 2.2 и 2.3) с разрешением в 3″ (90 м) подготовленное в рамках проекта изучения Земли из космоса Shuttle Radar Topographic Mission (NASA, 2000 г.). Подстилающая поверхность с таким разрешением была подготовлена только для третьего домена, в остальных сетках используется стандартное поле рельефа с шагом порядка 30″ (900 м). В качестве начальных данных и на боковых границах используются прогнозы модели «Global Forecasting System» (США) с разрешением 0,5°; дискретность данных на границах составляет 6 ч.

Рисунок 2.2 – Стандартное поле рельефа с шагом по пространству в 900м. Часть третьего домена города Хабаровск

В модели WRF–ARW имеется возможность выбора вариантов параметризаций некоторых физических процессов. В данной работе использованы следующие параметризации: микрофизика – схема Томпсона, коротко- и длинноволновая радиация – схемы Дуди и Малвера, пограничный слой – нелокальная К-модель университета Ёнсей, процессы в почве – универсальная схема Noah. Параметризация конвекции отключена во всех вложенных доменах.

Рисунок 2.3 – Новое поле рельефа с шагом по пространству в 90м. Часть третьего домена города Хабаровск

3 Анализ проведенных экспериментов

Для анализа расчетных полей компонент скорости ветра, температуры, давления и осадков был разработан комплекс программ, позволяющий определить зону максимальных скоростей ветра, линии тока частиц воздуха, скорость изменения давления и температуры, а также перемещение зоны осадков; построить карты этих полей с нанесением на них различных уточняющих пояснений.

Как уже было сказано ранее, для достоверности созданной модели необходимо проверить следующие данные: с более крупным по пространству шагом (15 км); в отличный от явления день. Если результаты моделирования в другой день и с другим шагом по пространству окажутся совершенно иными, то есть все или большинство синоптических признаков наличия атмосферного вихря будут отвергнуты, то работу модели можно считать достоверной.

Анализируя день явления и день без смерча была составлена таблица 3.1 со значениями, превышение которых повышало бы вероятность появления смерча.

Таблица 3.1 – Нормы

Ниже будут рассмотрены все стадии смерча по порядку, в каждом городе отдельно. Так же подвергнуться анализу день отличный от дня явления и данные смоделированные с большим шагом по пространству.

3.1 Результаты моделирования в г. Благовещенск

Стихийное явление наблюдалось 31 июля 2011 г. Выходная продукция модели предоставила следующие данные на территории третьего домена: осадки появились 13:06 по местному времени, а достигли города только к 14:00 часам; с 13:00 по 17:00 по местному времени, приблизительно каждый час наблюдались интенсивные вертикальные токи, причем, появлялись в начале часа и развивались в течение 30-40 минут; атмосферный вихрь прошел над городом с 16:00 по 16:45.

Вот как в СМИ [13] очевидцы описывали этапы жизни мощного смерча в Благовещенске (рисунок 3.1). «Смерч возник над рекой Зея около 18:00 местного времени. Потом смерч двинулся в центр и достиг общественно-культурного центра. В центре города смерч выкорчевал пару деревьев, покружил их в воздухе, но не набрал еще при этом полную силу. Потом смерч дошел до Второго и Третьего микрорайонов. Здесь проживает около 50 тыс. человек, то есть примерно четвертая часть жителей города.»

Рисунок 3.1 – Траектория движения смерча по городу Благовещенск [13], воссозданная вручную со слов очевидцев

«Смерч прошел по краю Второго микрорайона, коснулся одного жилого дома — погнул балконы, повыбивал все стекла. Затем перешел дорогу и прошелся по краю граничащего с микрорайоном авторынка. Вдоль дороги стояли ларьки — смерч разрушил несколько ларьков и перевернул несколько машин. Потом направился вдаль от города по Новотроицкому шоссе. Смерч повалил набок три фуры и протащил их вдоль ограждения, разделяющего полосы движения на Новотроицком шоссе. Автомобили сильно покорежены. Затем смерч двигался от города. По словам очевидцев Новотроицкое шоссе разрушено полностью. В поселке Чигири смерч уже практически разрушился.»

На рисунках 3.2 и 3.3 изображены реальные кадры смерча над городом и разрушения после катастрофы.

Рисунок 3.2 – Смерч над городом Благовещенск. Фото очевидцев

Один человек погиб, 28 получили травмы. 1 августа было объявлено, что ущерб для города составил 80 миллионов рублей [14].

Рисунок 3.3 - Смерч над городом Благовещенск. Фото очевидцев

Ниже приведены рисунки 3.4 - 3.5, подтверждающие существование смерча в расчетных данных модели. Рассмотрим доказательства показывающие, что модель WRF смогла смоделировать смерч в г. Благовещенск.

Рисунок 3.4 – Трехмерная модель поля вектора ветра над третьим доменом. Время 16:12

Сколько бы не было придумано необходимых признаков существования атмосферного вихря, реализация их в виде все возможных графиков, диаграмм и полей не давала бы достаточного условия для доказательства. Все эти виды изображений двумерны и глядя на эти плоские графики становится затруднительно представить такой объект, простирающийся на четыре измерения, занимающий огромное расстояние – от земли до грозового облака, как смерч. Под четвертым измерением подразумевается время, а как было описано выше – формирование смерча занимает несколько часов

Поэтому в данной работе была реализована попытка построения трехмерной модели торнадо по трем компонентам вектора ветра. Такую модель можно рассмотреть со все ракурсов и углов и однозначно показать наличие смерча на территории.

Рисунок 3.5 – Трехмерная модель поля вектора ветра над третьим доменом. Время 16:15

Невооруженным глазом видно, что трехмерная модель смерча на рисунках 3.4 и 3.5 протягивается от грозового облака до земли. На рисунках разными цветами приблизительно изображены два атмосферных вихря. Розовым цветом показан торнадо прошедший на территории города Благовещенск. Неожиданным сюрпризом стало наличие еще одного смерча – красный цвет. Отчетливо видно, что «красный» вихрь находиться на территории КНР и судя по размерам является более сильным.

На следующих рисунках, с 3.6 по 3.10, будут представлены графики, отображающие все стадии жизни торнадо. Этап формирования над рекой, перемещение по поверхности города и последний этап разрушения смерча. Для улучшения понимания был увеличен масштаб третьего домена – обозначим его как четвертый домен (широта: 50,2°-50,38°, долгота: 127,3°-127,8°). Четвертый домен включает реки Амур и Зея, город Благовещенск находится в центре области. На такой мелкой территории становиться возможным увидеть траекторию движения смерча и сравнить ее с траекторий, описанной в СМИ со слов очевидцев.

На всех графиках кругом обозначена точка с минимальным значением скорости, а звездой – с максимальным значением.

Характеристики

Список файлов ВКР