Two-dimensional model of mesoscale processes in the lower atmosphere with allowance for inhomogeneity of temperature and air humidity
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.1.1Keywords:
atmospheric boundary layer modeling, temperature and humidity heterogeneity, numerical calculationsAbstract
A new two-dimensional model of mesoscale processes is used to estimate the influence of temperature and air humidity heterogeneities on the formation of vortex structures in the lower atmosphere. The model has been developed on the basis of the local equilibrium approach by averaging the original three-dimensional equations for mesoscale atmospheric processes across the layer. To close the system of equations, an exact solution of the original problem describing the flow homogeneous with respect to horizontal coordinates is applied. The closure consists in determining the nonlinear terms and the values at the boundaries of velocity, temperature and humidity fields via the averaged field. The solution is obtained for an infinite horizontal rotating layer under the assumption of air incompressibility in the lower atmosphere and linear distribution of the temperature and humidity of the underlying surface. Numerical calculations were performed using a grid method, in which an explicit finite difference scheme is applied to a grid of 200×200 nodes. Computations were carried out for the 40×40 km area in the North-Western part of the city of Perm and its immediate vicinity with account for the underlying surface roughness. It has been found that the vortex structure with a vertical axis of rotation arises at significant horizontal gradients of temperature and humidity in the lower atmosphere. The formation of vortex structures also depends on the configuration of the zones of significant gradients and their location relative to the moving air.
Downloads
References
Атмосферная турбулентность и моделирование распространение примесей / Под ред. Ф.Т.М. Ньистадта, Х. Ван Допа. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 351 с.
2. Бызова Н.Л., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 264 с.
3. Kalnay E. Atmospheric modeling, data assimilation and predictability. - Cambridge University Press, 2003. - 341 p.
4. Марчук Г.И., Пененко В.В., Алоян А.Е., Лазриев Г.Л. Численное моделирование микроклимата города // Метеорология и гидрология. - 1979. - № 8. - С. 5-15.
5. Велтищева Н.С. Трехмерная негидростатическая модель для описания циркуляции над городским островом тепла // Труды Гидрометцентра СССР. - 1979. - № 219. - С. 66-82.
6. Берлянд М.Е., Зашихин М.Н. К теории антропогенного воздействия на локальные метеорологические процессы в городе // Метеорология и гидрология. - 1982. - № 2. - С. 5-16.
7. Быкова Л.П. Численное моделирование бризовой циркуляции над городом с учетом процессов в слое шероховатости // Метеорология и гидрология. - 1983. - № 12. - С. 36-43.
8. Тарнопольский А.Г., Шнайдман В.А. Моделирование пограничного слоя атмосферы для городской застройки и пригородной зоны // Метеорология и гидрология. - 1991. - № 1. - С. 41-47.
9. Алоян А.Е. Динамика и кинематика газовых примесей и аэрозолей в атмосфере: Курс лекций. - М.: ИВМ РАН, 2002. - 201 с.
10. Пененко В.В., Цветова Е.А. Математические модели природоохранного прогнозирования // ПМТФ. - 2007. - Т. 48, № 3. - С. 152-163. DOI
11. Аристов С.Н., Шварц К.Г. Вихревые течения в тонких слоях жидкости. - Киров: ВятГУ, 2011. - 207 с.
12. Шварц К.Г. Моделирование крупномасштабных и мезомасштабных процессов в бароклинной атмосфере и океане // Географический вестник. - 2013. - № 1 (24). - С. 72-77.
13. Schwarz K.G. Mesa-scale flows over large city // Progress in Fluid Flow Research: Turbulence and Applied MHD / eds. H. Branover and Y. Unger. - AIAA Progr. Ser. - 1998. - Vol. 182. - P. 271-279.
14. Шатров А.В., Шварц К.Г. Численное моделирование атмосферных мезомасштабных процессов переноса примесей в окрестности города Кирова // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2010. - Т. 3, № 3. - С. 117-125. DOI
15. Шварц К.Г., Шкляев В.А. Численное моделирование атмосферных мезомасштабных процессов переноса многокомпонентной примеси при торфяном пожаре // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2012. - Т. 5, № 3. - С. 274-283. DOI
16. Шварц К.Г., Шкляев В.А. Методические подходы к созданию системы локального расчетного мониторинга атмосферных биоаэрозолей // Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края: Сб. науч. тр. - Пермь: Изд-во ПГНИУ, 2013. - № 6. - С. 56-60.
17. Педлоски Дж. Геофизическая гидродинамика. В 2-х томах. - М.: Мир, 1984. - 398 с.; 416 с.
18. Романова Е.Н., Мосолова Г.И., Береснева И.А. Микроклиматология и ее значение для сельского хозяйства - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 244 с.
19. Шкляев В.А., Ермакова Л.Н., Шкляева Л.С. Исследование микроклимата города с целью оценки биометеорологических показателей селитебной территории // Географический вестник. - 2010. - № 3 (14). - С. 52-59.
20. Гаврилов А.С. Математическое моделирование мезометеорологических процессов: Учеб. пособие. - Л.: Изд-во ЛПИ, 1988. - 96 с.
21. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. - М.: Наука, 1965.- Часть I. - 640 с.
22. Шкляев В.А., Шкляева Л.С. Использование результатов наблюдений по температурному профилемеру для корректировки неблагоприятных метеорологических условий (НМУ) // Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: Труды II Всероссийской научной конференции с международным участием, Казань, 24-26 сентября 2013. - Т. II. - С. 151.
23. Аристов С.Н., Фрик П.Г. Динамика крупномасштабных течений в тонких слоях жидкости: Препр. / ИМСС УрО РАН. - Свердловск: УрО РАН СССР, 1987. - 48 с.
24. Аристов С.Н., Фрик П.Г. Крупномасштабная турбулентность в тонком слое неизотермической вращающейся жидкости // МЖГ. - 1988. - № 4. - С. 48-55. DOI
###
Atmosfernaa turbulentnost’ i modelirovanie rasprostranenie primesej / Pod red. F.T.M. N’istadta, H. Van Dopa. - L.: Gidrometeoizdat, 1985. - 351 s.
2. Byzova N.L., Ivanov V.N., Garger E.K. Turbulentnost’ v pogranicnom sloe atmosfery. - L.: Gidrometeoizdat, 1989. - 264 s.
3. Kalnay E. Atmospheric modeling, data assimilation and predictability. - Cambridge University Press, 2003. - 341 p.
4. Marcuk G.I., Penenko V.V., Aloan A.E., Lazriev G.L. Cislennoe modelirovanie mikroklimata goroda // Meteorologia i gidrologia. - 1979. - No 8. - S. 5-15.
5. Veltiseva N.S. Trehmernaa negidrostaticeskaa model’ dla opisania cirkulacii nad gorodskim ostrovom tepla // Trudy Gidrometcentra SSSR. - 1979. - No 219. - S. 66-82.
6. Berland M.E., Zasihin M.N. K teorii antropogennogo vozdejstvia na lokal’nye meteorologiceskie processy v gorode // Meteorologia i gidrologia. - 1982. - No 2. - S. 5-16.
7. Bykova L.P. Cislennoe modelirovanie brizovoj cirkulacii nad gorodom s ucetom processov v sloe serohovatosti // Meteorologia i gidrologia. - 1983. - No 12. - S. 36-43.
8. Tarnopol’skij A.G., Snajdman V.A. Modelirovanie pogranicnogo sloa atmosfery dla gorodskoj zastrojki i prigorodnoj zony // Meteorologia i gidrologia. - 1991. - No 1. - S. 41-47.
9. Aloan A.E. Dinamika i kinematika gazovyh primesej i aerozolej v atmosfere: Kurs lekcij. - M.: IVM RAN, 2002. - 201 s.
10. Penenko V.V., Cvetova E.A. Matematiceskie modeli prirodoohrannogo prognozirovania // PMTF. - 2007. - T. 48, No 3. - S. 152-163. DOI
11. Aristov S.N., Svarc K.G. Vihrevye tecenia v tonkih sloah zidkosti. - Kirov: VatGU, 2011. - 207 s.
12. Svarc K.G. Modelirovanie krupnomasstabnyh i mezomasstabnyh processov v baroklinnoj atmosfere i okeane // Geograficeskij vestnik. - 2013. - No 1 (24). - S. 72-77.
13. Schwarz K.G. Mesa-scale flows over large city // Progress in Fluid Flow Research: Turbulence and Applied MHD / eds. H. Branover and Y. Unger. - AIAA Progr. Ser. - 1998. - Vol. 182. - P. 271-279.
14. Satrov A.V., Svarc K.G. Cislennoe modelirovanie atmosfernyh mezomasstabnyh processov perenosa primesej v okrestnosti goroda Kirova // Vycisl. meh. splos. sred. - 2010. - T. 3, No 3. - S. 117-125. DOI
15. Svarc K.G., Sklaev V.A. Cislennoe modelirovanie atmosfernyh mezomasstabnyh processov perenosa mnogokomponentnoj primesi pri torfanom pozare // Vycisl. meh. splos. sred. - 2012. - T. 5, No 3. - S. 274-283. DOI
16. Svarc K.G., Sklaev V.A. Metodiceskie podhody k sozdaniu sistemy lokal’nogo rascetnogo monitoringa atmosfernyh bioaerozolej // Geoinformacionnoe obespecenie prostranstvennogo razvitia Permskogo kraa: Sb. nauc. tr. - Perm’: Izd-vo PGNIU, 2013. - No 6. - S. 56-60.
17. Pedloski Dz. Geofiziceskaa gidrodinamika. V 2-h tomah. - M.: Mir, 1984. - 398 s.; 416 s.
18. Romanova E.N., Mosolova G.I., Beresneva I.A. Mikroklimatologia i ee znacenie dla sel’skogo hozajstva - L.: Gidrometeoizdat, 1983. - 244 s.
19. Sklaev V.A., Ermakova L.N., Sklaeva L.S. Issledovanie mikroklimata goroda s cel’u ocenki biometeorologiceskih pokazatelej selitebnoj territorii // Geograficeskij vestnik. - 2010. - No 3 (14). - S. 52-59.
20. Gavrilov A.S. Matematiceskoe modelirovanie mezometeorologiceskih processov: Uceb. posobie. - L.: Izd-vo LPI, 1988. - 96 s.
21. Monin A.S., Aglom A.M. Statisticeskaa gidromehanika. - M.: Nauka, 1965.- Cast’ I. - 640 s.
22. Sklaev V.A., Sklaeva L.S. Ispol’zovanie rezul’tatov nabludenij po temperaturnomu profilemeru dla korrektirovki neblagopriatnyh meteorologiceskih uslovij (NMU) // Okruzausaa sreda i ustojcivoe razvitie regionov: Trudy II Vserossijskoj naucnoj konferencii s mezdunarodnym ucastiem, Kazan’, 24-26 sentabra 2013. - T. II. - S. 151.
23. Aristov S.N., Frik P.G. Dinamika krupnomasstabnyh tecenij v tonkih sloah zidkosti: Prepr. / IMSS UrO RAN. - Sverdlovsk: UrO RAN SSSR, 1987. - 48 s.
24. Aristov S.N., Frik P.G. Krupnomasstabnaa turbulentnost’ v tonkom sloe neizotermiceskoj vrasausejsa zidkosti // MZG. - 1988. - No 4. - S. 48-55. DOI
Downloads
Published
Issue
Section
License
Copyright (c) 2015 Computational Continuum Mechanics
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
