Далеко не для всех процессов подсеточного масштаба получены точные динамические уравнения, описывающие их пространственно-временную изменчивость, что делает практически невозможным непосредственное описание этих процессов в моделях крупномасштабных атмосферных движений. Следует отметить, что даже при наличии соответствующих уравнений их включение в модели общей циркуляции атмосферы потребовало бы колоссального увеличения числа точек сетки и задача численного интегрирования уравнений модели может стать нереальной далее для самых современных супермощных компьютеров.[ ...]
Разработка более совершенных гидродинамических моделей атмосферы стимулировала развитие нового направления - параметризации атмосферных процессов подсеточного масштаба, которая необходима для описания воздействия этих процессов на крупномасштабные поля, эволюция которых рассчитывается при интегрировании прогностических уравнений. Параметризации основываются на предположении, что эффекты микро- и мезомасштабных процессов могут быть связаны с параметрами прогнозируемых в модели полей. Поскольку модели общей циркуляции атмосферы предназначены для моделирования только крупномасштабных атмосферных процессов, то детальное описание физики процессов подсеточного масштаба не требуется. Однако суммарное воздействие физических явлений подсеточного масштаба должно быть корректно предсказано из получаемой внутри самой модели информации.[ ...]
В настоящее время существующие модели, теория и экспериментальные данные еще далеки от совершенства, поэтому существует много схем параметризации, изменяющихся от модели к модели. Здесь мы не будем пытаться дать обзор этих схем, ввиду их сложности, а адресуем интересующихся читателей к специальным монографиям и обзорам (см., например, [1, 4, 10, 17, 21 - 23] и имеющуюся там библиографию). Ниже будут приведены лишь краткие сведения, позволяющие получить представление о некоторых используемых типах параметризации. Обычно параметризация каждого процесса обсуждается отдельно, однако необходимо подчеркнуть, что в действительности различные составляющие общей схемы параметризации в высокой степени взаимосвязаны, как и процессы в реальной атмосфере. На рис. 1.5 приведена схема, иллюстрирующая взаимодействие процессов, протекающих в атмосфере, океане и на поверхности суши.[ ...]
Согласно (1.16) мелкомасштабная турбулентность играет наиболее существенную роль в слоях с большими вертикальными градиентами температуры, влажности и скорости ветра. Такие слои называют пограничными, среди которых наиболее важным является планетарный пограничный слой, расположенный вблизи земной поверхности.[ ...]
В зависимости от вертикального разрешения модели вблизи подстилающей поверхности схемы параметризации планетарного пограничного слоя можно условно разделить на два класса. Если разрешение таково, что внутри пограничного слоя находится не более одного уровня, то применяются схемы параметризации, описывающие весь пограничный слой в целом и основанные на использовании коэффициентов сопротивления, зависящих от характеристик земной поверхности. Если же в пограипчиом слое расположено несколько уровней, то можно в явном виде описать вертикальную структуру этого слоя, а потоки на поверхности можно определить в соответствии с теорией подобия Монина-Обухова.[ ...]
Обмен значительных объемов воздуха, происходящий в результате перемещения вихрей с вертикальной осью и горизонтальными размерами 4Ад:, называется вихревой (среднемасштабной) турбулентностью и является движением под сеточного масштаба. К их числу относятся мезомасштабные движения, часть гравитационных колебаний и движения в небольших ложбинах и гребнях. Одна из наиболее простых схем параметризации вихревой турбулентности основывается на уравнениях (1.15), в которых полагается Кх= Ку = Кп. В отличие от случая мелкомасштабной турбулентности величина К рассчитывается не по принципу Праидтля, а, как правило, на основе данных наблюдений.[ ...]
Численные эксперименты с многоуровневыми моделями общей циркуляции атмосферы, использующими схемы параметризации конвекции Куо и Аракавы-Шуберта, дали обнадеживающие результаты. В целом же параметризация процесса конвекции еще далека от совершенства и остается одной из главных исследовательских задач в моделировании динамики атмосферы.[ ...]
Одним из наиболее простых элементов общей схемы параметризации является расчет неконвективных осадков. Если рассчитаны изменения давления, температуры и влажности, обусловленные другими динамическими и физическими процессами, то вычисление неконвективных осадков в общем сводится к определению того количества водяного пара, которое должно сконденсироваться с выделением соответствующего количества теплоты фазовых переходов, чтобы относительная влажность не превышала некоторого фиксированного порогового значения. Это значение изменяется в разных моделях от 80 до 100%. Пороговые значения меньше 100% позволяют грубо учесть мелкомасштабную структуру большей части осадков, которые могут выпадать в отдельных точках внутри области, соответствующей ячейке сетки, даже если средняя по области влажность меньше влажности при насыщении. Однако выбор слишком низкого порогового значения для пограничного слоя может дать нереальное количество осадков, образующихся на самом нижнем уровне над увлажненной поверхностью.[ ...]
Вернуться к оглавлению