Описание численной модели

1 Обоснование выбора модели

Возможности натурных исследований конвективных облаков сильно ограничены. Основными факторами, затрудняющими натурные исследования, являются существенная нестационарность облачных процессов, затрудняющая измерения, а также, опасные явления, угрожающие здоровью и жизни экспериментаторов либо сохранности аппаратуры. В связи с этим важным инструментом исследования физики облачных процессов, происходящих в конвективных облаках, являются численные модели.

Эти модели могут быть классифицированы по целому ряду признаков. По наличию учета зависимости характеристик облака от времени модели можно подразделить на стационарные и нестационарные; по размерности пространства - на нуль-мерные, одномерные, полуторамерные, двумерные, трехмерные [14]. Модели различаются по способу описания микрофизических процессов в облаке. Помимо этого, между разными моделями существуют различия по наличию, полноте и способу учета взаимодействия облака с окружающей средой, фазовых переходов, электрических процессов, химических реакций, распространения газообразных и аэрозольных примесей, радиационных процессов и др.

Выбор того или иного типа модели осуществляется исходя из цели и предмета исследования, а также, имеющихся в распоряжении вычислительных средств.

Данные натурных исследований конвективных облаков убедительно показывают, что такие облака представляют собой сугубо нестационарное явление. Следовательно, стационарные модели применительно к ним могут применяться, в основном, для упрощенного анализа некоторых характеристик конвективных облаков, слабо меняющихся в течение некоторого промежутка времени. Между тем, известно, что характерное время жизни конвективного облака, как правило, составляет порядка 102 минут; в течение этого периода скорость воздушных движений в облаке может изменяться на 1-2 порядка; водность, удельная плотность электрического заряда и напряженность электрического поля - на 3 - 6 порядков [24]. Таким образом, моделирование эволюции таких облаков, в основном, предполагает применение нестационарной модели.

Реализация адекватных моделей большой размерности затруднена в связи с большой длительностью проведения расчетов. По этой причине целесообразно использовать модель малой размерности (полуторамерную). Это оправдано, поскольку движение воздуха, капель, кристаллов и аэрозолей во внутримассовых конвективных облаках, в основном, происходит в вертикальном направлении.

Введение детальной микрофизики дополнительно увеличивает время, затрачиваемое на выполнение численных расчетов [15]. Вместе с этим показано, что решение системы уравнений для интегральных характеристик облачных элементов дает результаты, находящиеся в удовлетворительном соответствии с данными натурных измерений [11]. Следовательно, на данном этапе исследований можно ограничиться параметризованным описанием микрофизических характеристик облака.

В модели необходим учет наличия кристаллической фазы в облаке, играющей существенную роль в процессе осадкообразования.

В модель необходимо ввести аэрозольный блок.

Для наиболее корректного описания динамики облака, также, необходим учет взаимодействия конвективного облака с окружающей средой, то есть, модель должна быть неадиабатической.

На основании вышесказанного был произведен выбор конкретного типа модели конвективного облака - полуторамерной, нестационарной, с параметризованным описанием микрофизических процессов, с учетом наличия грубодисперсных аэрозолей.

2 Общая характеристика модели

Рассматриваемая модель конвективного облака создана на основе системы уравнений гидротермодинамики. Данная модель в течение двух десятилетий совершенствовалась и дорабатывалась сотрудниками отдела Физики облаков ГГО им. А.И. Воейкова [17].

В модель были введены дополнительные уравнения, описывающие распространение нерастворимых гидрофобных грубодисперсных аэрозольных частиц в облаке и подоблачном слое, а также, параметрические выражения для расчета интенсивности взаимодействия аэрозолей с каплями и ледяными частицами [11].

Полученная в итоге модель включает:

) систему нелинейных нестационарных уравнений гидротермодинамики, и уравнений баланса субстанций, осредненных по горизонтальному сечению цилиндра конечного радиуса;

) параметрические выражения для вычисления интенсивностей микрофизических процессов и фазовых переходов;

) граничные и начальные условия;

) численный алгоритм и метод решения системы уравнений;

) программу для ПЭВМ.

Рассматриваемая модель применима для описания эволюции внутримассового конвективного облака в пренебрежении влиянием горизонтальной адвекции. Развитие облака происходит в цилиндрической области пространства радиуса R и высоты H (далее именуемой «цилиндр»). Данная область снизу ограничена подстилающей поверхностью; значение высоты верхней границы цилиндра () задано таким образом, чтобы возмущения среды, связанные с развитием облака, не достигали данного уровня. Все уравнения осреднены по горизонтальному сечению цилиндра радиуса R. Как внутри, так и вне цилиндрической области все физические величины меняются в пространстве только по вертикали[18]. Изменение величин по горизонтали происходит только на границе цилиндра Горизонтальное изменение плотности среды учитывается только при расчете силы плавучести. Во внутренней области цилиндра, в общем случае, значения характеристик облака и воздушной среды изменяются во времени.

Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6

Другие статьи по теме

Охрана поверхностных и подземных вод от истощения и загрязнения
Основной задачей данной части работы является определение мероприятий по охране подземных вод от истощения и загрязнения. К этим мероприятиям относятся: подземная вода на проектируемом предприят ...

Биологические методы борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур
С давних времен человек ведет борьбу с вредителями сельского хозяйства и переносчиками различных заболеваний. В середине этого века, когда в широких масштабах начали применять химические ве ...

Обращение с бытовыми отходами на предприятии ОАО Связьтранснефть
В последнее время во всем мире стали больше уделять внимания охране окружающей среды. Это вызвано необходимостью сохранить нормальные условия жизни для нынешнего и будущего поколений. Одна и ...

Разделы