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.
Биологический мониторинг качества воды
Качество воды постоянно контролируется различными службами.
Биологический мониторинг, наряду с химическим, играет в этом процессе
немаловажную роль.
Резкие изменения качества воды могут о ...
Воды
Реки.
Густота речной сети на территории района составляет 0,25-0,30 км/км кв. Реки
извилисты, имеют малые уклоны и скорости течения. Основным источником питания
рек являются зимние осадки. Замерзан ...
Государственная политика России в области экологической безопасности и пути её совершенствования на примере юга России
Немецкий естествоиспытатель Э.Геккель, предложивший в 1866 году термин
“экология”, и думать не мог о том, что со временем экология станет
общечеловеческим, глобальным понятием, мерилом отнош ...