Численный прогноз трехмерного распределения метеорологических и турбулентных переменных

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

Год: 2013

Номер: 12

Страницы: 10-24

Аннотация

Это исследование позволяет улучшить краткосрочный численный прогноз метеорологических и турбулентных переменных, используя уравнения гидродинамики и схему замыкания двух уравнений турбулентности, включающую уравнения ТКЕ и диссипации.
Основные уравнения написаны в рамках K-теории турбулентности для нестационарной стратифицированной, бароклинной, гидростатической атмосферы в изобарической и z-системах координат. Конечно-разностные уравнения решаются с помощью метода последовательных приближений. Это позволяет применить неявное интегрирование по времени, которое обеспечивает вычислительную устойчивость и положительные значения ТКЕ и диссипации.
Прогноз на 2 суток метеорологических и турбулентных переменных был рассчитан по Северному полушарию. Пространственное распределение метеорологических и турбулентных переменных анализировалось для области 0-45E, 40-65N.
Анализ показал сильную турбулентность в полдень при неустойчивой стратификации и отсутствие турбулентности ночью при устойчивой.
Переменные атмосферного пограничного слоя рассчитываются в 3-километровом слое с вертикальным шагом 50 м в точках модельной сетки для холмистых и гористых районов. Прогностические результаты показывают количественные соотношения между температурной стратификацией, сдвигом ветра и турбулентными параметрами. Сравнение метеорологических условий в районах турбулентности показывает, что в дневные часы сильная турбулентность развивается при одинаковых метеорологических условиях в обоих районах, но в ночное время в холмистых районах турбулентность исчезает при сильной устойчивой стратификации быстрее, чем в горной местности. Результаты анализа прогностической структуры турбулентности показали, что во второй половине дня и ранним утром (переходный период) наблюдаются отдельные остаточные слои, где турбулентность все еще активна, развиваясь выше устойчиво стратифицированной нижней части пограничного слоя. Количественные параметры турбулентности и метеорологические условия отдельных остаточных слоев представлены.

Теги: гидродинамические уравнения; краткосрочное прогнозирование; неявное интегрирование; последовательные приближения; турбулентное замыкание

Список литературы

  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
Скачать полный текст (PDF)