Исследование характеристик приземного слоя при наличии взвешенных снежных частиц с помощью данных наблюдений и вихреразрешающего моделирования

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Ветровой перенос снега представляет собой двухфазный поток, состоящий из воздуха и взвешенных частиц. При наличии снежных частиц в воздухе в приземном слое появляется дополнительная устойчивость за счет градиента плотности. Градиент плотности подавляет турбулентность и влияет на процессы обмена в приземном слое. Поэтому для описания свойств потока с включенными в него частицами снега необходимо привлечение дополнительных параметризаций. В данной работе представленно описание параметризации приземного слоя с наличием взвешенных частиц снега. Влияние взвешенных частиц учитывается изменением формулировки турбулентного масштаба длины Обухова. Новая параметризация приземного слоя позволяет учесть влияние частиц снега на турбулентный поток и позволяет уточнить оценки скорости трения и высоты пограничного слоя. Описываемая в данной работе параметризация была успешно проверена на данных наблюдений. Описание влияния частиц снега было включено в вихреразрешающую модель (Large-Eddy Simulation, LES). Численные эксперименты показывают увеличение устойчивости приземного слоя. Механизм влияния взвешенных частиц на приземный слой аналогичен термической устойчивости потока, при котором отрицательная плавучесть подавляет крупномасштабную компоненту течения и способствует уменьшению турбулентной кинетической энергии.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. И. Суязова

Научно-исследовательский вычислительный центр Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова; Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН; Московский центр фундаментальной и прикладной математики

Автор, ответственный за переписку.
Email: er-riad@mail.com
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 4; 119107, Москва, Пыжевский пер., 3; 119991, Москва, Ленинские горы, 1

А. В. Дебольский

Научно-исследовательский вычислительный центр Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова; Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН; Московский центр фундаментальной и прикладной математики

Email: er-riad@mail.com
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 4; 119107, Москва, Пыжевский пер., 3; 119991, Москва, Ленинские горы, 1

Е. В. Мортиков

Научно-исследовательский вычислительный центр Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова; Московский центр фундаментальной и прикладной математики

Email: er-riad@mail.com
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 4; 119991, Москва, Ленинские горы, 1

Список литературы

  1. Баренблатт Г.И., Голицын Г.С. Локальная структура развитых пыльных бурь. M: Изд-во МГУ, 1973. 44 с.
  2. Бычкова В.И., Рубенштейн К.Г. Параметризация процессов возникновения и эволюции низовой метели // Оптика атмосферы и океана. T. 31. № 2. C. 143–150.
  3. Бютнер Э.К. Динамика приповерхностного слоя воздуха. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.
  4. Дюнин А.К. Механика метелей (вопросы теории проектирования снегорегулирующиз средств). Новосибирск: Изд. Сибирского отделения АН СССР, 1963.
  5. Курбатова М.М., Бычкова В.И. Моделирование скорости ветра при низовой метели с помощью модели WRF-ARW // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2020. Т. 375. № 1. С. 130–141.
  6. Adams J.E., Weatherly G.L. Some effects of suspended sediment stratification on an oceanic bottom boundary layer // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1981. V. 86. № 5. P. 4161–4172.
  7. Bagnold R.A. The transport of sand by wind // The Geographical Journal. 1937. V. 89. № 5. P. 409–438.
  8. Barenblatt G.I., Golitsyn G.S. Local structure of mature dust storms // Journal of Atmospheric Sciences. 1974. V. 31. № 7. P. 1917–1933.
  9. Bintanja R. Snowdrift suspension and atmospheric turbulence. Part I: Theoretical background and model description // Boundary-layer meteorology. 2000. V. 95. № 3. P. 343–368.
  10. Bintanja R. Buoyancy effects induced by drifting snow particles // Annals of Glaciology. 2001. V. 32. P. 147–152.
  11. Bou-Zeid E., Meneveau C., Parlange M.B. A scale-dependent lagrangian dynamic model for large eddy simulation of complex turbulent flows // Phys. Fluids. 2005. V. 17. № 2. P. 105–122.
  12. Brown D.L., Cortez R., Minion M.L. Accurate projection methods for the incompressible Navier–Stokes equations // Journal of computational physics. 2001. V. 168. № 2. P. 464–499.
  13. Businger J.A., Wyngaard J.C., Izumi Y., Bradley E.F. Flux-profile relationships in the atmospheric surface layer // Journal of Atmospheric Sciences. 1971. V. 28. № 2. P. 181–189.
  14. Cuxart, J., Holtslag, A.M., Beare, R.J., Bazile, E., Beljaars, A., Cheng, A., Conangla, L., Ek M., Freedman F., Hamdi R. et al. Single-column model intercomparison for a stably stratified atmospheric boundary layer // BoundaryLayer Meteorology. 2006. V. 118. № 2. P. 273–303.
  15. Debolskiy A.V., Mortikov E.V., Glazunov A.V., Lüpkes C. Evaluation of surface layer stability functions and their extension to first order turbulent closures for weakly and strongly stratified stable boundary layer // BoundaryLayer Meteorology. 2023. V. 187. № 1–2. P. 73–93.
  16. Déry S.J., Yau M.K. A bulk blowing snow model // BoundaryLayer Meteorology. 1999. V. 93. № 2. P. 237–251.
  17. Dyer A.J. A review of flux-profile relationships // BoundaryLayer Meteorology. 1974. V. 7. P. 363–372.
  18. Germano M., Piomelli U., Moin P., Cabot W.H. A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model // Phys. Fluids. 1991. V. 3. № 7. P. 1760–1765.
  19. Grachev A.A., Andreas E.L., Fairall C.W., Guest P.S., Persson P.G. SHEBA flux–profile relationships in the stable atmospheric boundary layer // Boundary-layer meteorology. 2007. V. 124. P. 315–333.
  20. Groot C.D., Diebold M., Horender S., Overney J., Lieberherr G., Parlange, M.B., Lehning M. Modelling smallscale drifting snow with a Lagrangian stochastic modelbased on large-eddy simulations // Boundary-Layer Meteorology. 2014. V. 153. № 1. P. 117–139.
  21. NOAA PSL data archives. IASOA // 2023.
  22. Kadantsev E.V., Mortikov E.V., Zilitinkevich S.S. The resistance law for stably stratified atmospheric planetary boundary layers // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2021. V. 147. № 737. P. 2233–2243.
  23. Li L., Pomeroy J.W. Probability of occurrence of blowing snow // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 1997. V. 102. № D18. P. 21955–21964.
  24. Lieberherr G. Modeling snow drift in the turbulent boundary layer.: Ècole polytechnique federale de Lausanne, 2010.
  25. Mann G.W. Surface heat and water vapour budgets over Antarctica // 1998.
  26. Marsh C.B., Pomeroy J.W., Spiteri R.J., Wheater H.S. A finite volume blowing snow model for use with variable resolution meshes // Water Resources Research. 2020. V. 56. № 2. P. 1–28.
  27. Meneveau C., Lund T.S., Cabot W.H. A Lagrangian dynamic subgrid-scale model of turbulence // J. Fluid Mech. 1996. V. 319. P. 353–385.
  28. Monin A.S., Yaglom A.M. Statistical fluid mechanics. Cambridge/Mass: MIT Press, 1971.
  29. Morinishi, Y., Lund, T.S., Vasilyev, O.V., Moin, P. Fully conservative higher order finite difference schemes for incompressible flow // Journal of Computational Physics. 1998. V. 143. № 1. P. 90–124.
  30. Mortikov E.V., Glazunov A.V.V., Lykossov V.N. Numerical study of plane Couette flow: turbulence statistics and the structure of pressure–strain correlations // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2019. V. 34. № 2. P. 119–132.
  31. Mortikov E.V. Numerical simulation of the motion of an ice keel in a stratified flow // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. V. 52. № 1. P. 108–115.
  32. Pomeroy J.W., Male D.H. Steady-state suspension of snow // Journal of hydrology. 1992. V. 136. № 1–4. P. 275–301.
  33. Pomeroy J.W., Gray D.M., Landine P.G. The prairie blowing snow model: characteristics, validation, operation // Journal of Hydrology. 1993. V. 144. № 1–4. P. 165–192.
  34. Pomeroy J.W., Li L. Prairie and arctic areal snow cover mass balance using a blowing snow model // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2000. V. 105. № D21. P. 26619–26634.
  35. Smith J., McLean S.R. Boundary layer adjustments to bottom topography and suspended sediment // Elsevier oceanography series.: Elsevier, 1977. P. 123–151.
  36. Tkachenko E.V., Debolskiy A.V., Mortikov E.V., Glazunov A.V. Large-eddy simulation and parameterization of decaying turbulence in the evening transition of the atmospheric boundary layer // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2022. V. 58. № 3. P. 219–236.
  37. Uttal T., Starkweather S., Drummond J.R., Vihma T., Makshtas, A.P. et al. International arctic systems for observing the atmosphere: An international polar year legacy consortium // Bulletin of the American Meteorological Society. 2016. V. 97. № 6. P. 1033–1056.
  38. Wamser C., Lykossov V.N. On the friction velocity during blowing snow // Beitrage zur Physik der Atmosphare-Contributions to Atmospheric Physics. 1995. V. 68. № 1. P. 85–94.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Диаграммы рассеяния скорости трения рассчитанной по двум сериям (“MOST” и “MOST SNOW”) и измеренной на станции Тикси в 2015 (а) и 2016 (б) гг.

Скачать (236KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменения приповерхностной объемной концентрации частиц снега для экспериментов с различной скоростью охлаждения поверхности (Сr) на высоте уровня сальтации.

Скачать (192KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Скорость трения в экспериментах при наличии всзвешенных снежных частиц (“MOST SNOW”) и при их отсутствии (“MOST”) с разным охлаждением (Cr).

Скачать (284KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Скорость ветра на 10 м в эксперименте с наличием (“MOST SNOW”) и отсутствием (“MOST”) взвешенных снежных частиц.

Скачать (146KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Профили скорости ветра (б) и потока импульса (а), в экспериментах с наличием “MOST SNOW” и отсутствием “MOST” взвешенных снежных частиц.

Скачать (147KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Компоненты тензора анизотропии Рейнольдса (а) и нормированных профилей ТКЭ (б), осредненных за 9-й час моделирования в экспериментах при наличии (“MOST SNOW”) и при отсутствии (“MOST”) взвешенных частиц снега.

Скачать (174KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.