CC BY
28
УДК 551.5
DOI: 10.21209/2227-9245-2018-24-1-18-25
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОРОГРАФИЧЕСКИХ ВОЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИ WRF С ВЫСОКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ
MODELING OF OROGRAPHIC WAVES WITH THE USE OF THE WRF MODEL WITH HIGH RESOLUTION
А. В. Крупин,
Морской гидрофизический институт Российской академии наук, г. Севастополь krupin41@list.ru
A. Krupin,
Marine Hydrophysical Institute of Russian Academy of Sciences, Sevastopol
В. В. Ефимов,
Морской гидрофизический институт Российской академии наук, г. Севастополь
V. Efimov,
Marine Hydrophysical Institute of Russian Academy of Sciences, Sevastopol
Определено, что волны в атмосфере представляют собой колебания воздуха, которые распространяются в атмосфере Земли, возникают под воздействием внешних сил и происходят непроизвольно, сами по себе, поскольку атмосфера Земли имеет свои частоты. Установлено, что физическая природа этих сил влияет на формирование трех классов волн в атмосфере, среди которых различают акустические (звуковые), внутренние гравитационные и планетарные. Показано, что в нижнем шаре атмосферы, как правило, и расположены источники волн, которые, тем не менее, могут не только находиться в нижней атмосфере, но и проникать в другие слои. Выявлено, что для акустических волн характерна сжимаемость воздуха, а скорость распределения составляет примерно 300 м/с. Отмечено, что давление является незначительным (1...10 Па), за исключением волн, которые возникают при взрывах. Аргументировано положение о том, что исследование физики атмосферы является достаточно актуальным вопросом, поскольку позволяет решать экологические, климатологические вопросы. Отмечено, что для исследования волновых изменений в атмосфере требуется детальный анализ больших массивов данных и длинных временных рядов. Основная цель работы заключалась в моделировании орографических волн с использованием модели WRF с высоким разрешением. Для достижения поставленной цели и изучения волновых изменений авторами использованы модели с высоким расширением, т. к. именно с помощью эксперимента можно детально изучить поставленную проблематику. Установлено, что волны расположены на высотах от поверхности до уровня 800 мб (около 1900 м). Сделан вывод, что этот волновой след в облаках нижнего яруса атмосферы над морем появился в результате формирования специфического профиля скорости ветра
Ключевые слова: волновой след; воздушный поток; мелкомасштабные облака; неустойчивость потока; гигроскопические волны; атмосфера; баротропная неустойчивость; скорость ветра; волновой фронт; планетарные волны
It is determined that the waves in the atmosphere are air vibrations that propagate in the Earth's atmosphere, arise under the influence of external forces and occur involuntarily, in themselves, because the Earth's atmosphere has its frequencies. It is established that the physical nature of these forces influences the formation of three classes of waves in the atmosphere, among which are acoustic (sound), internal gravitational and planetary. It is shown that in the lower sphere of the atmosphere, as a rule, wave sources are located, which, nevertheless, can not only be in the lower atmosphere, but also penetrate into other layers. It was found that acoustic waves are characterized by compressibility of air, and the distribution velocity is approximately 300 m / s. It is noted that the pressure is insignificant (1...10 Pa), with the exception of waves that occur during explosions. The argument is made that the study of atmospheric physics is quite an urgent issue, since it allows solving environmental, cli-matological issues. It is noted that the analysis of wave changes in the atmosphere requires a detailed analysis of large data sets and long time series. The main goal of the work was to simulate orographic waves using the WRF model with high resolution. To achieve this goal and study the wave changes, the authors used models with high
© А. В. Крупин, В. В. Ефимов, 2018 ]g
expansion, since it is with the help of experiment that one can study in detail the problems posed. It is established that the waves are located at altitudes from the surface to a level of 800 mb (about 1900 m). It is concluded that this wave track in the clouds of the lower tier of the atmosphere above the sea appeared as a result of the formation of a specific wind speed profile
Key words: wave track; airflow; small-scale clouds; flow instability; hygroscopic waves; atmosphere; barotropic instability; wind speed; wave front; planetary waves
ведение. Волны в атмосфере представляют собой колебания воздуха, которые распространяются в атмосфере Земли. Эти волны возникают под воздействием внешних сил и происходят непроизвольно, сами по себе, поскольку атмосфера Земли имеет свои частоты. Физическая природа этих сил влияет на формирование трех классов волн в атмосфере, среди которых различают акустические (звуковые), внутренние гравитационные и планетарные. В нижнем шаре атмосферы, как правило, и расположены источники волн, которые могут не только находиться в нижней атмосфере, но и проникать в другие слои [10].
Сжимаемость воздуха характерна для акустических волн, скорость распределения равна примерно 300 м/с. Они имеют продольную форму. Давление является незначительным (1.. .10 Па), за исключением волн, которые возникают при взрывах.
Для второго типа волн — внутренних гравитационных (далее — ВГВ) — характерна сила тяжести [11]. Они формируются в результате изменения плотности воздуха с высотой, когда в устойчивой температурной стратификации атмосферы на элементарный объем воздуха, который передвигается вверх или вниз, действует возвращающая сила. Скорость ВГВ колеблется от десятков до сотен метров в секунду, длина распространяется более чем на несколько десятков километров. С поднятием в верхние слои атмосферы, растет плотность воздуха. На высоте более 60 км начинает ускоренно расти амплитуда волн, что приводит к обрушению волны. Эти процессы приводят к изменению скорости ветра и температуры воздуха [8].
Во вращающейся среде формируются гигроскопические волны, которые в нормальной атмосфере существуют в смешан-
ном виде: гравитационно-гироскопические и инерционно-гироскопические, называемые также планетарными (Россби) волнами. Планетарные волны распространяются до 1 тыс. км, при скорости до десятков метров в секунду. С помощью них возможно прогнозировать погоду [6; 7].
Колебание волн непосредственно связано с атмосферной динамикой и способствует определению погоды в нижнем слое атмосферы, поддерживая термодинамический режим. Для изучения различных волн применяют глобальные спутниковые системы наблюдения за атмосферой, не исключая при этом компьютерные модели.
Волновые процессы в атмосфере представляют собой удобный пример для вали-дации численных экспериментов, хотя количество таких явлений на спутниковых снимках облаков, относящихся к выбранному региону, невелико. В работе рассмотрен один пример численной интерпретации спутникового снимка облачности вблизи Крыма [2]. Численная модель позволила воспроизвести особенность волнового процесса, развившегося в стратифицированной атмосфере за Крымскими горами при обтекании их набегающим воздушным потоком с северо-запада [5; 9].
Описание облачности вблизи Крыма. Рассмотрим пример численной валида-ции волнового процесса, проявившегося на спутниковом снимке облачности TERRA за 27 августа 2007 г. в 11 часов местного времени (рис. 1). Снимок имеет разрешение около 300 м. Это достаточно для выделения волнового облачного следа над морем, в районе ЮБК. На рис. 1 показаны облака и мелкомасштабные волновые структуры над морем, южнее ЮБК. Видны цуги параллельных волн с длинами около 1 км, располагающиеся, как видно из рисунка, по нор-
мали к направлению ветра в пограничном Yongsei, схема Dudhia для коротковолновой
слое. По данным о яркостной температуре радиации (с учетом облачности), схема Eta
высота облачных структур составляла око- для длинноволновой радиации, пятиуров-
ло 1,5 км. невая модель почвы, учет гидрометеоров
В модели WRF использовалось четыре по схеме Class 3, параметризация кучевой
вложенных домена с шагом сетки по гори- конвекции Kain-Fritsch2 во внешних двух
зонтали 9, 3, 1, 0,3 км и 32...45 неравно- доменах. В домене с максимальным разре-
мерно расположенных уровней по верти- шением параметризация конвекции отклю-
кали (рис. 2). Расчет проводился на одни чалась [7].
сутки с шагом по времени 54 с. Выбор па- Рассмотрим результат численного мо-
раметризаций подсеточных процессов про- делирования атмосферной циркуляции за
изводился на основе рекомендаций, данных тот же период времени в модели с высо-
в документации модели. Это параметриза- ким разрешением во внутреннем домене
ция погранслоя по модели университета (300 м).
Рис. 1. Снимок облачности над Крымом со спутника TERRA для 13 ч местного времени 2 июля 2007 г. / Fig. 1. Photo of clouds over the Crimea from the TERRA satellite for 13 hours local
time on July 2, 2007
Рис. 2. Схема расположения расчетных областей используемой численной модели / Fig. 2. Scheme of the calculated areas location of the used numerical model
Анализ распространенности ветра на исследуемой территории. На рис. 3 показаны векторы горизонтальной скорости ветра на высоте 10 м, а на рис. 4 — поле вертикальной скорости на уровне 900 мб. Соответственно, общая картина спутниковых снимков полей облачности и рас-
считанная вертикальная скорость хорошо согласуются друг с другом: и пространственная ориентация волн, и их длины являются близкими. Направление ветра, показанное на рис. 3, направлено по нормали к волновым гребням, т.е. это волны, распространяющиеся по ветру [1; 3; 4].
Рис. 3. Численные расчеты скорости (векторами и изотахами) на высоте 0,5 км, полученные в модели WRF в домене с разрешением 3 км / Fig. 3. Numerical velocity calculations (vectors and isotahs) at an altitude of 0,5 km, obtained in the WRF model in 3 km resolution domain
35.0° 35.5° 36.0е
Рис. 4. Поле вертикальной скорости на уровне 900 мб на внутреннем домене (300 м) / Fig. 4. Vertical speed field at the level of 900 mb on the internal domain (300 m)
Из рис. 4 фазовая скорость волн не определяется. Для ее определения рассмотрена последовательная эволюция волновых полей во времени. Не приводя аналогичного рис. 4, но с некоторым временным сдвигом, укажем, что определяющая таким образом фазовая скорость волн составляла около 4,6 м/с.
Характеристика результатов моделирования. Результаты моделирования позволяют детально изучить особенности волнового процесса в атмосфере, вызвавшего облачные структуры, представленные на рис. 1. На рис. 5 показано распределение
вертикальной компоненты скорости ветра по вертикали вдоль продольного разреза волны. Прежде всего, отметим, что картина представляет собой систему волн, занимающих высоты от поверхности до уровня 800 мб (около 1900 м). Волновые фронты имеют наклон по вертикали, а максимальные вертикальные скорости формируются в двух областях. Одна область наибольших вертикальных скоростей возникает в приводном слое на высотах 300...400 м. Вторая — выше, на высоте 0,5.1,5 км, причем максимум вертикальной скорости - на уровне 900 мб.
500 550 600
43.76N 43.77N 43.78N 43.79N 43.8Ы 43.81 N 43.82N 43.83N 43.84М 43.85N
Рис. 5. Распределение вертикальной компоненты скорости ветра по вертикали вдоль продольного разреза волны на долготе 34,80/Fig. 5. Distribution of the vertical component of wind speed along the vertical along the longitudinal section of the wave at longitude 34,80
Рассматривая распределение по вертикали продольной компоненты скорости ветра и потенциальной температуры, можно предложить физическое объяснение генерации таких волн. Для этого на рис. 6.7 показаны профили потенциальной температуры и скорости ветра. Как указывалось ранее, направление ветра и распространение волн являлись близкими. Таким образом, характерные особенности приведенных профилей позволяют заключить, что волны развиваются вследствие баротроп-
ной неустойчивости потока воздуха в нижнем слое атмосферы, имеющем профиль скорости ветра с точками перегиба, показанный на рис. 7. Как известно, необходимым (хотя и недостаточным) условием такой неустойчивости является наличие точки перегиба вертикального профиля скорости и выполнение неравенства
< 0 (1)
на каких-либо высотах в рассматриваемом слое, где и^ — вторая производная ско-
рость ветра, ип — скорость ветра в точке перегиба.
Это условие удовлетворяется в исследуемом случае. На рис. 7 видны две точки перегиба профиля скорости: на уровне около 930 и 830 мб. В результате первенство выполняется для двух диапазонов высот: 1000.930 м, 900.830 мб. На этих же высотах наблюдаются и максимальные значения вертикальных скоростей волн.
Следовательно, в результате динамической неустойчивости воздушного потока, имеющего профиль скорости ветра, показанный на рис. 7, развивается система плоскопараллельных цугов волн. В вертикальной плоскости фронты волн имеют наклонный вид, показанный на рис. 5, и выделяются два диапазона высот с максимальными величинами орбитальных волновых скоростей.
Рис. 6. Распределение по высоте потенциальной температуры в 12 ч в точке с координатами 34,8° в.д. 43,45° с.ш./ Fig. 6. Height distribution of the potential temperature at 12 o'clock at the point with
the coordinates of 34.8° E. 43,45° N
Рис. 7. Распределение по высоте скорости ветра в 12 ч в точке с координатами 34,8° в.д. 43,45° с.ш./ Fig. 7. Distribution of wind speed at 12 hours in height at the point with coordinates of 34,8° E. 43,45° N
Выводы. Установлено, что данный волновой след в облаках нижнего яруса атмосферы над морем появился в результате формирования специфического профиля скорости ветра. Не приводя иллюстраций, можно сказать, что в этот период времени весь слой атмосферы до высот 5.6 км был занят потоком воздуха с северо-запада, скорость которого изменялась от 6.10 м/ сек вблизи поверхности до 2.3 м/с на высоте 5.6 км. Характерный изгиб профиля скорости (рис. 7), вероятно, связывался с
особенностями обтекания воздушным потоком Крымских гор.
Безусловно, подобные случаи в Крымском регионе возникают сравнительно редко. Кроме того, в данном примере было необходимо, чтобы вертикальный профиль распределения влажности и потенциальной температуры удовлетворял условиям развития мелкомасштабных облаков, связанных с подъемом воздуха на переднем склоне волн.
Список литературы_
1. Барабанов В. С., Ефимов В. В., Крупин А. В. Моделирование бризовой циркуляции в Крыму с высоким пространственным разрешением / / Междунар. науч. конф. «Молодые ученые в географической науке». Киев, 2008. С. 187-190.
2. Барабанов В. С., Ефимов В. В., Крупин А. В. Моделирование мезомасштабных особенностей атмосферной циркуляции в Крымском регионе Черного моря // Морской Гидрофизический Журнал. 2012. № 1. С. 64-74.
3. Барабанов В. С., Ефимов В. В., Крупин А. В. Развитие бриза как гравитационного течения в атмосфере над Крымом // Метеорология и гидрология. 2011. № 9. C. 32-40.
4. Ефимов В. В., Крупин А. В. Моделирование бризовой циркуляции с высоким пространственным разрешением // Системы контроля окружающей среды. 2008. С. 187-190.
5. Москаленко Л. В. Численный расчет стационарной циркуляции в Черном море по типовым полям ветра // Метеорология и Гидрология. 1975. № 1. С. 58-65.
6. Cheng B., Cullen M.J.P., Esler J.G., Norbury J., Turner M.R., Vanneste J., Cheng J. Quarterly Journal of The Royal Meteorological Society. 2017. Vol. 708. No. 143. P. 2925-2939.
7. Ferro C. Quarterly Journal of The Royal Meteorological Society. 2017. Vol. 708. No. 143. P. 2665-2676.
8. New M., Hulme M., Journal of Climate. 2000. Vol. 13. P. 2217-2238.
9. Schrum C., Staneva J., Stanev E., Ozsoy E. Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31. P. 3-19.
10. Spichtinger P., Dornbrack A. The 12th AMS Conference on Atmospheric Radiation/12th Conference on Cloud Physics. Madison, 2006.
11. Xiao-Dong T., Ming-Jen Y., Zhe-Min T. Quarterly Journal of The Royal Meteorological Society. 2011. Vol. 138. No. 663. P. 419-438.
References_
1. Barabanov V. S., Efimov V. V., Krupin A. V. Mezhdunar. nauch. konf. "Molodye uchyonye geogra-ficheskoy nauke" (International Scientific Conference "Young Scientists in Geographical Science"). Kiev, 2008, pp. 187-190.
2. Barabanov V.S., Efimov V.V., Krupin A.V. Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal (Marine Hydrophysical Journal), 2012, no. 1, pp. 64-74.
3. Barabanov V.S., Efimov V.V., Krupin A.V. Meteorologiya i gidrologiya (Meteorology and hydrology), 2011, no. 9, pp. 32-40.
4. Efimov V.V., Krupin A.V. Sistemy kontrolya okruzhayushchey sredy (Environmental monitoring systems). Sevastopol, 2008, pp. 187-190.
5. Moskalenko L.V. Meteorologiya i Gidrologiya (Meteorology and hydrology), 1975, no. 1, pp. 58-65.
6. Cheng B., Cullen M.J.P., Esler J.G., Norbury J., Turner M.R., Vanneste J., Cheng J. Quarterly Journal of The Royal Meteorological Society (Quarterly Journal of The Royal Meteorological Society), 2017, vol. 708, no. 143, pp. 2925-2939.
7. Ferro C. Quarterly Journal of The Royal Meteorological Society (Quarterly Journal of The Royal Meteorological Society), 2017, vol. 708, no. 143, pp. 2665-2676.
8. New M., Hulme M. Journal of Climate (Journal of Climate), 2000, vol. 13, pp. 2217-2238.
9. Schrum C., Staneva J., Stanev E., Ozsoy E. Journal of Marine Systems (Journal of Marine Systems), 2001, vol. 31, pp. 3-19.
10. Spichtinger P., Dornbrack A. The 12th AMS Conference on Atmospheric Radiation/12th Conference on Cloud Physics (The 12th AMS Conference on Atmospheric Radiation/12th Conference on Cloud Physics). Madison, 2006.
11. Xiao-Dong T., Ming-Jen Y., Zhe-Min T. Quarterly Journal of The Royal Meteorological Society (Quarterly Journal of The Royal Meteorological Society), 2011, vol. 138, no. 663, pp. 419—438.
Коротко об авторах_
Крупин Александр Викторович, ведущий инженер-исследователь, Морской гидрофизический институт Российской академии наук, г. Севастополь, Россия. Область научных интересов: исследование физики атмосферы; моделирование волновых изменений в атмосфере krupin41@list .ru
Ефимов Владимир Васильевич, д-р физ.-мат. наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Морской гидрофизический институт Российской академии наук, г. Севастополь, Россия. Область научных интересов: физика атмосферы и океана, гидрофизика, метеорология и гидрология
Briefly about the authors_
Alexander Krupin, leading research engineer, Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences, Sevastopol. Sphere of scientific interests: study of atmospheric physics; modeling of wave changes in the atmosphere.
Vladimir Efimov, doctor of physical and mathematical sciences, professor, Leading Researcher, Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences, Sevastopol. Sphere of scientific interests: physics of the atmosphere and ocean, hydrophysics, meteorology and hydrology
Образец цитирования _
Крупин А. А., Ефимов В. В. Моделирование орографических волн с использованием модели WRF с высоким разрешением // Вестн. Забайкал. гос. ун-та. 2018. Т. 24. № 1. С. 18—25. DOI: 10.21209/2227-
9245-2018-24-1-18-25.
Krupin A., Efimov V. Modeling of orographic waves with the use of the WRF model with high resolution / / Transbaikal State University Journal, 2018, vol. 24, no. 1, pp. 18-25. DOI: 10.21209/2227-9245-2018-241-18-25.
Статья поступила в редакцию: 07.12.2017 г. Статья принята к публикации: 30.01.2018 г.
