Диагностическая модель движения воздушных масс для определения снегозапасов в горах.pdf Расчет полей осадков в горах весьма сложен и,очевидно, поэтому в настоящее время осуществляют-ся лишь попытки построить крупномасштабные кар-ты среднемноголетних максимальных снегозапасов.В методику построения этих карг закладывается за-висимость увеличения снегозапасов с высотой. Дей-ствие этих высотных зависимостей ограничиваютсянебольшим районом, на который они получены.При различных гидрологических расчетах требует-ся определил, поле осадков (снегозапасов) на сравни-тельно небольшой территории (порядка 10-15 тыс. км2).Причем, исходные параметры и полученные резуль-таты должны определяться с шагом в 5-10 км. Оче-видно, что применение в расчетных схемах гидроди-намических моделей для этого возможно, но они весь-ма сложны при расчетах, а главное требуют введениябольшого числа первичных предикгангов, задать ко-торые чаще всего в условиях интересующих нас пло-щадей и с учетом имеющегося обеспечения аэроло-гической информацией, практически невозможно. Внаших предыдущих работах [2, 3 ] была показана воз-можность расчетов ежегодных снегозапасов в горах.Однако, для численных экспериментов был выбрантакой район исследований, воздушные потоки в кото-ром, при подходе к горной системе с юго-запада, за-пада и северо-запада трансформируются в одно пре-обладающее направление. В случае, если такой транс-формации не происходит, встает вопрос определенияих направления в каждом конкретном случае. Поэто-му для расчетов полей осадков (снегозапасов), хотябы на экспертном уровне, была сделана попытка со-здать модель расчета движения воздушных потоков,исходная информация, в которую требовалась бы ми-нимальная, В качестве последней используется абсо-лютная высота подстилающей поверхности (снятая сопределенным шагом), скорость и направление под-хода воздушных потоков и температура приземногослоя воздуха, получить которые вполне возможно поданным немногочисленных аэрологических наблюде-ний. Сделав предварительные замечания, перейдем не-посредственно к решению поставленной задачи.В условиях неустойчивой атмосферы (в периодпрохождения фронтальных зон) каких-либо волновыхколебаний атмосферы не будет наблюдаться. Как ука-зывает JI.T. Матвеев [6, С. 201]: «Линии тока в дан-ном случае симметрично искривлены над горой, а приудалении от нее быстро становятся горизонтальными».Полная система уравнений движения воздушных масссостоит из уравнений движения, уравнения неразрыв-ности, уравнения притока тепла и уравнения притокавлаги. Два последних уравнения при создании моде-ли расчета снегозапасов в условиях сложной орогра-фии можно опустить.Согласно [4, С. 216]: «за счет сильного упрощенияуравнений движения относительно простое модели-рование воздушного потока, огибающего препятствиеили переваливающего через него» можно осуществитьв том случае, если [4, С. 216]:1. Сильное торможение восходящих движений про-исходит в нижней тропосфере (т.е. при условии мош-ной устойчивой стратификации выше верхней грани-цы пограничного слоя);2. Высота местности в основном значительно мень-ше этой высоты;3. Горизонтальная термическая неоднородность какатмосферы, так и подстилающей поверхности мала.Приводимая ниже модель может быть примененав случае относительно низких и средних гор (до 3 км)и только лишь в зимний период, когда действительнотермическая неоднородность подстилающей поверх-ности мала.Воздух, встречающий препятствие, должен иметьдостаточную кинетическую энергию, чтобы поднять-ся на препятствие. Согласно Р. Барри [10, С. 67] мак-симальная высота, на которой исчерпывается кинети-ческая энергия частиц воздуха, составляет:Z max = U/где, U - скорость ветра поднимающего частицу,g ( r - y ) статическая устойчивость (результи-рующая сил плавучести и тяжести), g - ускорение сво-бодного падения, / ' -сухоадиабатическииградиент,У -вертикальный градиент температуры воздуха (со-гласно Л.Т. Матвеева, его можно принять равным0,007 град/м [7], Т - температура в °К.Начальные условия для расчета можно задать имеяаэрологическую информацию о скорости ветра, егонаправлении, температуре воздуха. На уровне z maxпримем, что скорость ветра равна нулю. Модуль ско-рости ветра при подъеме будет уменьшаться, при спус-ке увеличиваться. Направление вектора скорости, приподъеме-спуске, поскольку трение между воздушны-ми частицами невелико [7], примем параллельнымземной поверхности. Вертикальную составляющую(1Г) для расчета подъема-спуска воздуха в соответ-ствии с рекомендацией Р. Скорера [8] будем несколь-ко уменьшать, т.к. во фронтальной зоне существуютконвективные ячейки, размеры которых в среднемизменяются в пределах 20-30 км и, соответственно, вних наблюдается не только подъем воздуха, но и спускпо краю конвективной ячейки [7, С. 84].Для оценки корректности модели движения воз-душных масс воспользуемся районом примерно от 80до 92 град восточной долготы и от 48 до 56 град се-верной широты, включая аэрологические станцииНовосибирск, Барнаул, Кош-Агач, Абакан. С иссле-дуемого района была снята матрица абсолютных вы-сот размерами 40x40 точек с шагом в 25 км. Счита-лось, что воздушный поток движется слева-направо.В случае если фронтальная зона подходит к горнойстране под каким-то углом, матрица разворачивалась.Счет в матрице идет слева-направо и снизу-вверх.Начальные условия задаются первому столбцу: ско-рость воздушного потока через 0,5 км; от 0,5 до 3,0 км(V), температура воздуха (Т) и направление ветра(ORT). Вначале для самого нижнего слоя определяет-ся построчно V, Т, ORT и время прохождения воздуш-ным потоком данной точки (т). Причем, если на путивоздушного потока встречается препятствие большеZ max всем остальным точкам в стоке присваиваетсязначение т » треали( При следующих расчетах направ-ление воздушного потока, начиная со второго столб-ца, искусственно изменяется по трем наиболее веро-ятным румбам. Если т данной итерации меньше т пре-дыдущей, то старые значения стираются и присваи-ваются новые (таким образом учитываются уравне-ния движения). Если происходит разделение потока,то скорость уменьшается пропорционально количе-ству разветвлений (учет уравнения неразрывности).Температура воздуха, поскольку в зимних условияхона незначительно влияет на Z max, принималасьпостоянной. Число подобных повторений (итераций)соответствует числу столбцов в матрице.Для более точного определения необходимых намхарактеристик в, узловых точках, расстояние междуними делилось дополнительно на 10 частей. Послетого как определено положение нижнего слоя, дляверхнего он принимался подстилающей поверхностьюи счет уже шел относительно его.Численные эксперименты. Как уже упоминалосьранее фронтальная зона, это не сплошной воздушныйпоток поднимающийся вверх или опускаю щиися вниз.Он имеет ячеистую структуру. В центре ячеек наблю-дается подъем воздуха, на периферии - опускание. Какуказывает Р. Скорер [8, С. 331]: «Скорость восходя-щего потока на оси термика, используемого планери-стами, примерно в 2,2 раза выше скорости подъемасамого термика». Естественно, что во фронтальнойзоне это значение существенно меньше. Однако нашипоиски таких значений по литературе не увенчалисьуспехом. Поэтому эта величина определялась мето-дом подбора при ее крайних значениях (1,0-2,0) сшагом равным 0,25. Результаты численных экспери-ментов показывают, что наибольшая сходимость мо-дуля скорости получается в случае уменьшения вер-тикальных движений на 0,25 (рис. 1, 2). Поэтому вдальнейшей работе использовалось именно это зна-чение коэффициента уменьшения модуля вертикаль-ной скорости Для определения насколько адекватноотражает наша модель трансформацию фронтальныхзон, были проведены численные эксперименты за весьпериод прохождения фронтальной зоны.Результаты анализа, часть которых приводится нарис. 3, 4 показали следующее:1. Модель достаточно хорошо воспроизводит ка-чественную картину трансформации скорости и на-правления воздушных потоков при прохождениифронтальных зон в горах.2. В случае если фронтальная зона выражена доста-точно резко, воспроизведение полей скоростей во вре-мени на аэрологическом разрезе происходит со вполнеН,кму>2 , 0 -а)л - - - ® 2К км3,0ZjO-* 3,02,0-I 1 г гQ S 10 IS Vrt/tac О 4- Ю IS VM/m S 1С Ум/ШРис. 1. Изменение модуля скорости ветра при уменьшении вертикальных движений в 1,5 (а); 1,25 (б); 1,0 (в)раза.Аэрологические наблюдения по ст. Кош-Агач от 4.05.1985 г. 1 - численный экперимент, 2 - аэрологические наблюденияРис. 2. Модуль скорости ветра при уменьшении вер-тикальных движений в 1,25 раза. Аэрологические на-блюдения по ст. Абакан от 4.05.1985 г. 1 - числен-ный эксперимент, 2 - аэрологические наблюденияудовлетворяющей нас ошибкой (максимальное отли-чие точек моделированного поля от реального не бо-лее, чем в два раза).3. В случае если фронтальная зона выражена нестоль четко, то качественная картина поля скоростивоспроизводится достаточно хорошо, но сами моду-ли, моделированные и реальные, могут отличаться в2-3 раза.4. Время движения фронтальной зоны, если рас-считывать его в зависимости от модулей скоростей заопределенное время, при численном моделированиизанижается примерно в два раза. Но так и должнобыть, так как скорость используемая для численногомоделирования не есть скорость движения самойфронтальной зоны. Таким обрезом, и время движе-ния модель воспроизводит достаточно достоверно.5. Наиболее достоверно поля скоростей воспроиз-водятся, если задаются с определенным интервалом всеслои, начиная от приземного. Если при численном мо-делировании мы «перепрыгиваем» через слой, то вос-произведение менее адекватно реальной картине.Для численных расчетов снегонакопления был выб-ран район Салаирского кряжа и Кузнецкого Алатау. Длярасчета суммы вертикальных движений за время поле-та снежинки через облако примем ее гидравлическуюкрупность, согласно рекомендации P.P. Роджерса [9]равной 0,5 м/сек. Толщину облачной системы равной2,6 км [5]. Шаг сетки взят равным 10 км, т.к большийшаг сетки не будет характеризовать адекватно рельеф, аменьший - не дает более точной картины, лишь увели-чивая время счета. Распределение скоростей воздуха впериод прохождения фронтальных зон, примем осред-ненным за весь зимний период по данным аэрологи-ческой станции Барнаул. Направление подхода фрон-тальных зон к исследуемому региону примем западным,как наиболее вероятное.- > v Isto гг ft / 7 23 чаеч2Ш 22.XHРис. 3. Разрез полей модулей скоростей и направлений ветра пост. КЬш-Агач 21-22 декабря 1985 г. Начальные условия задавалисьпо ст. Новосибирск на высотах 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 и 3 км. а - дан-ные аэрологических наблкщений, б - численный экспериментН, КМ.io-2,0го1.00.0Н,км|102,01,60,0уо 1 \*\'"А мк a 12s\ у я

Скачать электронную версию публикации