Том 38, номер 03, статья № 9

Аннотация:

Предлагается оригинальный метод расчета турбулентных параметров в атмосферном пограничном слое с использованием нестационарной трехмерной трехпараметрической модели турбулентности и алгебраических соотношений для напряжений Рейнольдса и турбулентных потоков тепла. Мезомасштабная модель с такой параметризацией турбулентности в пограничном слое атмосферы была протестирована с помощью данных, полученных на Базовом экспериментальном комплексе ИОА СО РАН. Оценена динамика вертикального распределения некоторых турбулентных параметров в течение суток для условий г. Томска. Сравнение расчетов с измерениями показало, что модель хорошо прогнозирует вертикальные профили температуры, скорости и направления горизонтального ветра. Однако для условий, когда поверхность покрыта снегом, необходимы дальнейшие исследования по учету в модели взаимодействия атмосферного пограничного слоя с поверхностью. Разработанная модель турбулентности может использоваться при численных расчетах параметров атмосферного пограничного слоя с высоким горизонтальным разрешением (шаг сетки 100–1000 м).

Ключевые слова:

численный прогноз погоды, мезомасштабная модель TSUNM3, турбулентная структура, атмосферный пограничный слой

Список литературы:

1. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / под ред. Ф.Т.М. Ньистадта, Х. ван Допа. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 352 с.
2. Курбацкий А.Ф. Лекции по турбулентности. Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т, 2015. 102 с.
3. Andren A. Evaluation of a turbulence closure scheme for air-pollution applications // J. Appl. Meteorol. 1990. V. 29, N 3. P. 224–239. DOI: 10.1175/1520-0450(1990)029<0224:EOATCS>2.0.CO;2.
4. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука, 1985. 256 с.
5. Glazunov A.V., Lykossov V.N. Large-eddy simulation of interaction of ocean and atmospheric boundary layers // Russ. J. Numer. Anal. Math. Modelling. 2003. V. 18. P. 279–295. DOI: 10.1515/156939803769210957.
6. Беликов Д.А., Старченко А.В. Численная модель турбулентного переноса примеси в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2007. Т. 20, № 8. С. 667–673.
7. Старченко А.В. Моделирование переноса примеси в однородном пограничном слое // Материалы конференции ENVIROMISS. Томск, 2000. С. 77–82. URL: http: // enviro.scert.ru/russ/enviromis/1/proceedings/index.html.
8. Honnert R., Efstathiou G., Beare R., Ito J., Lock A., Neggers R., Plant R.S., Shin H.H., Tomassini L., Zhou B. The atmospheric boundary layer and the “gray zone” of turbulence: A critical review // J. Geophys. Res.: Atmos. 2020. V. 125. P. e2019JD030317. DOI: 10.1029/2019JD030317.
9. Doubrawa P., Muñoz-Esparza D. Simulating real atmospheric boundary layers at gray-zone resolutions: How do currently available turbulence parameterizations perform? // Atmosphere. 2020. V. 11, N 4. P. 345. DOI: 10.3390/atmos11040345.
10. Hope A.P., Lopez-Coto I., Hajny K., Tomlin J.M., Kaeser R., Stirm B., Karion A., Shepson P.B. Analyzing “gray zone” turbulent kinetic energy predictions in the boundary layer from three WRF PBL schemes over New York city and comparison with aircraft measurements // J. Appl. Meteor. Climatol. 2024. V. 63. P. 125–142. DOI: 10.1175/JAMC-D-22-0181.1.
11. Wiersema D.J., Wharton S., Arthur R.S., Juliano T.W., Lundquist K.A., Glascoe L.G., Newsom R.K., Schalk W.W., Brown M.J., Dexheimer D. Assessing turbulence and mixing parameterizations in the gray-zone of multiscale simulations over mountainous terrain during the METEX21 field experiment // Front. Earth Sci. 2023. V. 11. P. 1251180. DOI: 10.3389/feart.2023. 1251180.
12. Mellor G.L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems // Rev. Geophys. 1982. V. 20. P. 851–875. DOI: 10.1029/RG020i004p00851.
13. André J.C., De Moor G., Lacarrère P., Therry G., du Vachat R. Modelling the 24-hour evolution of the mean and turbulent structures of the planetary boundary layer // J. Atmos. Sci. 1978. V. 35. P. 1861–1883. DOI: 10.1175/1520-0469(1978)035<1861:MTHEOT>2.0.CO;2.
14. Zhang X., Bao J.-W., Chen B., Grell E.D. A three-dimensional scale-adaptive turbulent kinetic energy scheme in the WRF-ARW model // Mon. Weather Rev. 2018. V. 146. P. 2023–2045. DOI: 10.1175/MWR-D-17-0356.1.
15. Zhang C., Wang Y., Xue M. Evaluation of an E-eps and three other boundary layer parameterization schemes in the WRF model over southeast Pacific and the southern Great Plains // Mon. Weather Rev. 2020. V. 148. P. 1121–2045. DOI: 10.1175/MWR-D-19-0084.1.
16. Udina M., Montornès À., Casso P., Kosovic B., Bech J. WRF-LES Simulation of the boundary layer turbulent processes during the BLLAST campaign // Atmosphere. 2020. V. 11, N 1149. DOI: 10.3390/atmos11111149.
17. Wyngaard J.C. Toward numerical modeling in the “Terra Incognita” // J. Atmos. Sci. 2004. V. 61. P. 1816–1826. DOI: 10.1175/1520-0469(2004)061<1816:TNMITT>2.0.CO;2.
18. Juliano T.W., Kosović B., Jiménez P.A., Eghdami M., Haupt S.E., Martilli A. “Gray zone” simulations using a three-dimensional planetary boundary layer parameterization in the weather research and forecasting model // Mon. Weather Rev. 2022. V. 150. P. 1585–1619. DOI: 10.1175/MWR-D-21-0164.1.
19. Численное моделирование погоды и качества атмосферного воздуха в городах / А.В. Старченко, Л.И. Кижнер, Е.А. Данилкин, Е.А. Шельмина [и др.]. Томск: Изд-во ТГУ, 2022. 140 с. DOI: 10.17223/978-5-7511-2649-8.
20. Brost R., Lenschow H. Marine stratocumulus layers. Part II: Turbulence budgets // J. Atmos. Sci. 1982. V. 39. P. 818–836. DOI: 10.1175/1520-0469(1982)039<0818:MSLPIT>2.0.CO;2.
21. Grant A.L.M. Observations of boundary layer structure made during the KONTUR experiment // Q. J. R. Meteorol. Soc. 1986. V. 112. P. 825–841. DOI: 10.1002/qj.49711247314.
22. Caughey S.J., Wyngaard J.C., Kaimal J.C. Turbulence in the evolving stable boundary layer // J. Atmos. Sci. 1979. V. 36. P. 1041–1052. DOI: 10.1175/1520-0469(1979)036<1041:TITESB> 2.0.CO;2.
23. Nieustadt F.T.M. The turbulent structure of the stable nocturnal boundary layer // J. Atmos. Sci. 1984. V. 41. P. 2202–2216. DOI: 10.1175/1520-0469(1984)041<2202:TTSOTS>2.0.CO;2.
24. Yamada T., Mellor G.A Simulation of the Wangara atmospheric boundary layer data // J. Atmos. Sci. 1975. V. 32. P. 2309–2329. DOI: 10.1175/1520-0469(1975)032<2309:ASOTWA> 2.0.CO;2.
25. Гладких В.А., Макиенко В.Э. Цифровая ультразвуковая метеостанция // Приборы. 2009. № 7 (109). С. 21–25.
26. Кадыгров Е.Н. Микроволновая радиометрия атмосферного пограничного слоя – метод, аппаратура, результаты измерений // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22, № 7. С. 697–704.
27. Одинцов С.Л. Развитие и применение акустических средств диагностики атмосферного пограничного слоя // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 9. С. 786–791. DOI: 10.15372/AOO20190911; Odintsov S.L. Development and use of acoustic tools for diagnostics of the atmospheric boundary layer // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33, N 1. P. 104–108.
28. Tolstykh M., Goyman G., Fadeev R., Shashkin V. Implementation of SL-AV global atmosphere model with 10 km horizontal resolution // Communications in Computer and Information Science RuSCDays. 2020. V. 1331. P. 216–225. DOI: 10.1007/978-3-030-64616-5_19.
29. Верификация прогнозов по мезомасштабной модели COSMO-Ru / А.Ю. Бундель, А.А. Кирсанов, А.В. Муравьев [и др.] // CITES 2017: Международная молодежная школа и конференция по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде, Таруса – Звенигород, 28 августа – 7 сентября 2017 года. Таруса; Звенигород: Томский центр научно-технической информации, 2017. С. 12–16.
30. Курбацкий А.Ф., Курбацкая Л.И. RANS-моделирование перемежающейся турбулентности в термически устойчиво стратифицированном пограничном слое // ПМТФ. 2013. Т. 54, № 4. С. 55–67.
31. Одинцов С.Л., Гладких В.А., Камардин А.П., Невзорова И.В. Высота области интенсивного турбулентного теплообмена в устойчиво стратифицированном пограничном слое атмосферы. Часть 1: Методика оценок и статистика // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 10. С. 782–790. DOI: 10.15372/AOO20201006; Odintsov S.L., Gladkikh V.A., Kamardin A.P., Nevzorova I.V. Height of the region of intense turbulent heat exchange in a stably stratified atmospheric boundary layer: Part 1 – Evaluation technique and statistics // Atmos. Ocean. Opt. 2021. V. 34, N 1. P. 34–44.
32. Шехтер Ф.Н., Вагер Б.Г. Исследование влияния различных факторов на суточный ход температуры в тепловом пограничном слое атмосферы // Тр. ГГО им. А.И. Воейкова. 1975. Вып. 362. С. 31–40.