ФИЗИКА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧИСЛЕ. Закон сохранения вещества
 Скачать 116.85 Kb.
|
|
Физические процессы атмосферного моделирования Четыре основных фундаментальных закона (вместе с уравнениями и их значениями). Закон сохранения вещества. В физике: означает неизменность массы в замкнутой (изолированной) системе. Водные объекты – открытые системы, поэтому в гидрологии этот закон определяет равновесие между приходом, расходом вещества и изменением его массы в пределах объекта. Это относится не только к воде, но и содержание в ней наносам, солям, газам и т.д. Уравнение баланса, применительно к водному объекту и к любому замкнутому контуру: Am=m+- m- Закон сохранения энергии. В физике: неизменность энергии в замкнутой системе с учетом возможного перехода одного вида энергии в другой. В гидрологии: определяет условия баланса прихода и расхода теплоты и изменения теплосодержания объекта. Формула теплового баланса: Qобщ.=Q+-Q- Q+ - что пришло, теплота при переходе механической энергии в тепловую, а также при ледообразовании – конденсации водяного пара, разложении веществ; Q- - что ушло, затраченной на испарение, плавление льда, химические и биохимические процессы. Закон сохранения механической энергии. Е=Епот+Екин+Едис; Е -полная энергия, Епот – потенциальная энергия Екин – кинетическая энергия Едис – затраты на трение- диссоциация энергии. В гидрологии: определяет характер перехода потенциальной энергии (энергия покоящейся воды) в кинетической энергии движущегося потока. Закон сохранения импульса. В физике: в пределах замкнутой системы количество движения остается неизменным: m(aV/at)=0; m-масса системы; aV/at-ee ускорение (ед.изм. Дж). В гидрологии: закон изменения движения (импульса): изменение количество движения открытой системы равно сумме всех сил, действующих на систему. Уравнение движения: m(dV/dt)=∑F Данные законы используются во всех численных моделях атмосферы, т. к. они являются основными и пренебрегать ими нельзя, основа физики. Отличия микрофизики от основных физических законов. Некоторые микрофизики могут быть не использованы при моделировании т. к. могут быть не первостепенными и могут нагружать модель, которая может из-за них считать прогноз на сутки те же сутки. А вот фундаментальными законами мы не в коем случае не можем исключать из моделирования т.к. это основа физики.   Микрофизика для моделирования играет большую роль, являясь основным расчетным компонентом под сеточного масштаба. Микрофизика рассматривает микроструктуру облака, исследует процессы образования, слияния, испарения водяных капель. Для моделирования микрофизики влаги предлагается восемь схем параметризации, отличающихся областью применения и детализацией представления фазовых состояний атмосферной влаги. Для того чтобы завышения количества осадков по модели WRF/ARW в весенний период не происходило необходимо использовать различные параметризации, и выбрать те из них, которые обеспечивают наибольшую достоверность прогноза. Для параметризации микрофизических процессов могут использоваться различные схемы, доступные в пакете WRF, например, схемы семейства WSM (WRF Single-Moment Microphysics). Семейство WSM включает в себя схемы WSM3, WSM5 и WSM6, отличающиеся между собой количеством воспроизводимых гидрометеоров, в основе построения которых лежит подход, д, предложенный Хонгом и др. Схема WSM5 включает 5 классов гидрометеоров: водяной пар, жидкие частицы облачности, ледяные кристаллы облачности, дождь и снег. Более совершенная схема WSM6, включает в себя ледяную крупу в качестве дополнительной прогностической переменной. Влияние крупы на микрофизические процессы может быть весьма существенно в таких атмосферных явлениях, как активные циклоны. В то же время использование схем параметризации микрофизики, включающих в себя крупу, нерационально при шаге сетки > 10 км, поскольку отдельные восходящие потоки, отвечающие за её формирование в облаках, не будут разрешены в модели. Поэтому рационально выбирать схему WSM5 для большой территории (Европа) с шагом 27 км. Для небольших территорий (Восточная Европа, Беларусь) возможно использование WSM6. Для параметризация конвекции в областях с шагом более 10 км может использоваться ансамблевая схема Грелла-Девеньи. В данной схеме для каждого узла сетки производится расчёт микрофизических процессов для некоторого набора различных схем микрофизики и некоторого диапазона параметров. Влияние микрофизических процессов на моделируемую динамику определяется путём усреднения по всему ансамблю, при необходимости каждый элемент ансамбля может иметь собственный статистический вес. В параметризации Кесслера представлено три микрофизических процесса: автоконверсия (переход облачной воды в осадки после достижения некоторой пороговой водности облаков ), аккреция (захват каплями падающих осадков капель облачности) и испарение выпадающих осадков. |