Чисельний прогноз тривимірного розподілу метеорологічних і турбулентних змінних

Автори: Шнайдман В.А., Беркович Л.В., Ткачева Ю.В.

Рік: 2013

Число: 12

Сторінки: 10-24

Анотація

Це дослідження дозволяє поліпшити короткостроковий чисельний прогноз метеорологічних і турбулентних змінних, використовуючи рівняння гідродинаміки і схему замикання двох рівнянь турбулентності, що включає рівняння ТКЕ і дисипації. Основні рівняння були написані в рамках K-теорії турбулентності для нестаціонарної стратифікованої, бароклінної, гідростатичної атмосфери в ізобаричній і z-системах координат. Кінцево-різницеві рівняння розв’язуються за допомогою методу послідовних наближень. Це дозволяє застосувати неявне інтегрування за часом, яке забезпечує обчислювальну стійкість і позитивні значення ТКЕ і дисипації. Прогноз на 2 доби метеорологічних і турбулентних змінних було розраховано для Північної півкулі. Зроблено аналіз просторового розподілу метеорологічних і турбулентних змінних для області 0-45E, 40– 65N. Аналіз показав сильну турбулентність опівдні при нестійкій стратифікації і відсутність турбулентності вночі при стійкій. Змінні атмосферного граничного шару розраховуються в 3-кілометровому шарі з вертикальним кроком 50 м в точках модельної сітки для пагористих і гористих районів. Прогностичні результати показують кількісні співвідношення між температурною стратифікацією, зсувом вітру і турбулентними параметрами. Порівняння метеорологічних умов в районах турбулентності показує, що в денні години сильна турбулентність розвивається за однакових метеорологічних умов в обох районах, але в нічний час в пагористих районах турбулентність зникає при сильній стійкій стратифікації швидше, ніж в гірській місцевості. Результати аналізу прогностичної структури турбулентності показали, що в другій половині дня і рано вранці (перехідний період) спостерігаються окремі залишкові шари, де турбулентність все ще активна, розвиваючись вище стійко стратифікованій нижній частині прикордонного шару. Представлено кількісні u1087 параметри турбулентності і метеорологічні умови окремих залишкових шарів.

Теги: гідродинамічні рівняння; короткострокове прогнозування; неявна інтегрування; послідовне наближення; турбулентне замикання

Список літератури

  1. Abdella and Mcfarlane ( 2001) Modeling boundary layer clouds with a statistical cloud scheme and a second-order turbulence closure. Boundary-Layer Meteorol 98:387-410
  2. Bougeault P, Lacarrére P (1989) Parameterization of topography-induced turbulence in a mesobeta-scale model. Mon Weather Rev 117:1872–1890
  3. Braun SA, Tao W-K (2000) Sensitivity of high-resolution simulations of hurricane Bob (1991) to planetary boundary layer parameterizations. Mon Weather Rev 128:3941-3961
  4. Ca V, Ashie Y (2002) K-epsilon turbulence closure model for the atmospheric boundary layer including urban canopy. Boundary-Layer Meteorology 102:459-490
  5. Cheng Y, Canuto V, Howard A (2002) An improved model for turbulent PBL. J Atmos.Sci 59:1550-1565
  6. Cotton W, Pielke R, Walko R (2003) RAMS 2001: Current status and future directions. Meteor Atmos. Phys 82:5-29
  7. Cuxart J, Holtslag A, Beare RJ, Bazile E, Beljaars A, Cheng A, Conangla L, Ek M, Freedman F, Hamdi R, Kerstein A, Kitagawa H, Lenderink G, Lewellen D, Mailhot J, Mauritsen T, Perov V, Schayes G, Steeneveld G-J, Svensson G, Taylor P, Weng W, Wunsch S, Xu K-M (2006) Single-column model intercomparison for a stably stratified atmospheric boundary layer. Boundary-Layer Meteorol 118:273–303
  8. Deardorff J (1974) Three – dimensional numerical study of the height and mean structure of a heated planetary boundary layer. Boundary-Layer Meteorol 7:81-106
  9. Helfand H, Labraga J (1988) Design of a non-singular level 2.5 second-order closure model for prediction of atmospheric turbulence. J Atmos Sci 45:113-132
  10. Hong S-Y(2010) A new stable boundary-layer mixing scheme and its impact on the simulated East Asian summer monsoon. Q J Roy Meteorol Soc 136:1481–1496
  11. Hong S-Y, Pan H-L (1996) Non-local boundary layer vertical diffusion in a mediumrange forecast model. Mon Weather Rev 124:2322–2339
  12. Huber A, Tang W, Flowe A (2004) Development and applications of CFD simulations in support of air quality studies involving buildings. Preprints, 13th Joint conference on the applications of air pollution meteorology, US EPA, New York
  13. Janjic G (2002) Nonsingular implementation of the Mellor-Yamada level 2.5 scheme in the NCEP meso-model. NCEP Office Note 461, Washington
  14. Jiang W, Zhou M, Xu M (2002) Study on development and application of a regional PBL numerical model. Boundary-Layer Meteorol 104: 491-503
  15. Lesieur M, Metais O, Compte P (2002) Large-scale simulation in turbulence. Cambridge U Press, New York
  16. Li X, Pu Z (2008) Sensitivity of numerical simulation of early rapid intensification of hurricane Emily (2005) to cloud microphysical and planetary boundary layer parameterizations. Mon Weather Rev 136:19–48
  17. Lothon M, Lenschow D (2010) Studying the Afternoon Transition of the Planetary Boundary Layer. EOS (American Geophysical Union) vol. 91, №29
  18. Marht L (1999) Stratified atmospheric boundary layers. Boundary-Layer Meteorol 90:375-396
  19. Mellor G, Yamada T (1982) Development of turbulent closure model for geophysical fluid problems. Rev Geophys Space Phys 20:851-875
  20. Michalakes J, Dudhia J, Gill D (2004) The weather research and forecast model. In:Proccedings of Eleventh ECMWF Workshop, Reading
  21. Moeng C, Wyngaard J (1989) Evaluation of turbulent and dissipation closures in secondorder modeling. J Atmos Sci 46:2311-2330
  22. Nakanishi M (2001) Improvement of the Mellor-Yamada turbulence closure model based on the large-eddy simulation data. Boundary-Layer Meteorol 90:375-396
  23. Noh Y, Cheon W-G, Hong S-Y (2003) Improvement of the K-profile model for the planetary boundary layer based on large eddy simulation data. Boundary-Layer Meteorol 107:401–427
  24. Pino D, Jonker J, Vilà-Guerau de Arellano, Dosio A (2006), Role of shear and the inversion strength during sunset turbulence over land: Characteristic length scales, Boundary Layer Meteorol., 121: 537–556
  25. Pleim J (2007a) A combined local and non-local closure model for the atmospheric boundary layer. Part I: model description and testing. J Appl Meteorol Clim 46:1383–1395
  26. Pleim J (2007b) A combined local and non-local closure model for the atmospheric boundary layer. Part II: application and evaluation in a mesoscale meteorological model. J Appl Meteorol Clim 46:1396–1409
  27. Shin Hyeyum Hailey, Hong Song You (2011) Intercomparison of planetary boundarylayer parametrizations in the WRF model for a single day from CASES-99. Boundary-Layer Meteorol 139:261-281
  28. Шнайдман В.А. и др. (1997) Гидродинамическая модель атмосферного и океанического пограничного слоя. Метеорология и гидрология №7:40-52
  29. Skamarock W, Klemp J, Dudhia J, Gill D, Barker D, Duda M, Huang X-Y, Wang W, Powers J (2008) A description of the advanced research WRF version 3. NCAR TECHNICAL NOTE, NCAR/TN-475+STR, 113 pp
  30. Steeneveld G,Mauritsen T, De Bruijn E, De Arellano J, Svensson G, Holtslag A (2008) Evaluation of limited-area models for the representation of the diurnal cycle and contrasting nights in CASES-99. J Appl Meteorol Clim 47:869–887
  31. Sukoriansky S, Galperin B, Perov V (2005) Application of a new spectral theory of stable stratified turbulence to the atmospheric boundary layer over sea ice. Boundary-Layer Meteorol 117:231–257
  32. Svensson G, Holtslag A (2006) Single column modeling of the diurnal cycle based on CASES99 data-GABLS second intercomparison project. In: 17th symposium on Boundary layers and turbulence. American Meteorological Society, San Diego, CA, Paper 8.1
  33. Wensong W, Taylor P (2003) On modeling the one-dimensional atmospheric boundary layer. Boundary-Layer Meteorol 107:371-400
Завантажити повний текст (PDF)