Численное моделирование характеристик пограничного слоя атмосферы крупного промышленного города (на примере г. Челябинска)

Ольга Юрьевна Ленская, Санжар Муталович Абдуллаев, Антон Игоревич Приказчиков, Дмитрий Николаевич Соболев

Аннотация


В статье исследована возможность применения модели WRF (Weather Reseach and Forecasting) для исследования характеристик пограничного слоя атмосферы и его эволюции над крупным промышленным городом в условиях зимнего антициклона. Обсуждается влияние процессов, связанных с антропогенной деятельностью, неоднородностью городского ландшафта на развитие городского острова тепла. Получено, что WRF относительно хорошо описывает наблюдаемую структуру пограничного слоя с его температурной инверсией в нижнем 150-метровом слое и почти изотермическую стратификацию в однородном слое выше 300 м. Однако интенсивность инверсии оказывается значительно заниженной (примерно на 4 °С). Вычислительные эксперименты показывают, что абсолютная разность между наблюдаемой и рассчитанной температурой монотонно убывает во времени и после 18 часов от начала расчета сохраняется в пределах ±1 °С на всех расчетных уровнях в пограничном слое. Обнаруживается некоторая инерция в эволюции смоделированных характеристик пограничного слоя в период восхода – захода солнца, когда происходит быстрое изменение температуры воздуха в нижнем слое (менее 150 м). При низких температурах (ниже −10 °С) и слабых ветрах поля метеохарактеристик изменяются под воздействием городского острова тепла, представляя собой две температурные аномалии до +2÷4 °С, разделенные более холодной областью долины реки. Смоделированное поле ветра на разных уровнях в пограничном слое согласуется с температурным максимумом над обширной промышленной территорией в том, что в приземном слое здесь формируется зона дивергенции ветра, которая связана с нисходящими движениями воздуха, тогда как зона конвергенции вдоль долины реки связана с горизонтальными движениями «туннельного эффекта». Обнаружено, что при взаимодействии городского острова тепла с особенностями орографии города формируется необычно сильная струя на нижних уровнях над возвышенной частью города, занятой металлургическими предприятиями, которая, возможно, ответственна за сдвиги ветра над этой территорией. В целом структура циркуляций городского острова тепла может рассматриваться как стационарный фронт – один из новых объектов будущих мезомасштабных исследований.

Полный текст:

PDF

Литература


Skamarock, W.C. A Description of the Advanced Research WRF Version 3. – NCAR Tech. Note, June 2008 / W.C. Skamarock. URL: http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs (дата обращения: 11.01.2013).

Janjic, Z. Scientific Documentation for the NMM Solver. – NCAR Tech. Note, February 2010 / Z. Janjic, R. Gall, M.E. Pyle. URL: http://nldr.libar.edu/collections/technotes

(дата обращения: 11.01.2013).

Исследование производительности суперкомпьютеров семейства «СКИФ Аврора» на индустриальных задачах / А.А. Московский, М.П. Перминов, Л.Б. Соколинский и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математическое моделирование и программирование». – 2010. – № 35(211). – С. 66–78.

Оценка жизненного цикла природно-антропогенных систем / С.М. Абдуллаев, Е.Г.

Кораблева, Ю.А. Сапельцева и др. // Вестник Челябинского государственного университета. Серия «Экология и природопользование». – 2008. – Вып. 3. – № 17. – С. 34–45.

WRF-ARW V3: User’s Guide. / W. Wang, C. Beezley, M. Duda, et al. URL: http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users (дата обращения: 11.01.2013).

Hong, S.-Y. A Revised Approach to Ice MicrophysicalProcesses for the Bulk Parameter

ization of Clouds and Precipitation / S.-Y. Hong, J. Dudhia, S.-H. Chen // Monthly Weather Review. – 2004. – Vol. 132 – P. 103–120.

Mlawer, E.J. Radiative Transfer for Inhomogeneous Atmosphere: RRTM, a Validated Correlated-k-model for the Longwave / E.J. Mlawer, S.J. Taubman, P.D. Brown // Journal of Geophysical Research – 1977. – Vol. 102.– No. D14. – P. 16663–16682.

Dudhia, J. Numerical Study of Convection Observed During the Winter Monsoon Experiment Using a Mesoscale Two-dimentional Model / J. Dudhia // Journal of Atmospheric Science – 1989. – Vol. 6. – P. 3077–3107.

Hong, S.-Y. A New Vertical Diffusion Package with an Explicit Treatment of Entrainment Processes / S.-Y. Hong, Y. Noh, J. Dudhia // Monthly Weather Review – 2006. – Vol. 134. – P. 2318–2341.

The Community Noah Land-Surface Model (LSM): User’s Guide. URL: ftp://ftp.emc.ncep.noaa.gov/gcp/ldas/noahlsm/ver_2.7.1 (дата обращения: 22.02.2013)

Кораблёва, Е.Г. Исследования «острова тепла» г. Челябинска в зимний период / Е.Г. Кораблёва, О.Ю. Ленская // Вестник Челябинского государственного университета. Серия «Экология и природопользование». – 2010. – Вып. 4. – № 8. – С. 15–23.




DOI: http://dx.doi.org/10.14529/cmse130206