Организованная валиковая циркуляция и перенос минеральных аэрозолей в атмосферном пограничном слое
- Авторы: Вазаева Н.В.1,2, Чхетиани О.Г.1, Максименков Л.О.1
-
Учреждения:
- Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
- МГТУ им. Н.Э. Баумана
- Выпуск: Том 55, № 2 (2019)
- Страницы: 17-31
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.eco-vector.com/0002-3515/article/view/12991
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002-351555217-31
- ID: 12991
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Проводится исследование мезомасштабной валиковой циркуляции и ее транспортных свойств в атмосферном пограничном слое (АПС). С использованием модели WRF–ARW рассматривается характерный эпизод 28 июля 2007 г. в Калмыкии, охваченный наблюдениями экспедиции ИФА им. А.М. Обухова РАН. Отмечается развитие циркуляции, с существенной асимметрией по положительным и отрицательным компонентам поля скорости и спиральности. Квазидвумерные валиковые структуры отмечаются интенсификацией захвата и аккумуляции пыли, поднимающейся с подстилающей поверхности, и, наряду с интенсивными вихрями с вертикальной осью, являются существенным источником примесей в атмосфере. Захваченный мелкодисперсный аэрозоль способен переноситься на большие расстояния и образовывать аэрозольные слои.
Полный текст
1. ВВЕДЕНИЕ
Организованные движения в атмосферном пограничном слое (АПС) играют существенную роль в процессах переноса тепла, влаги, импульса, пыли и других субстанций. Особую роль здесь играют квазипараллельные валиковые структуры — упорядоченные спиралевидные вихри с горизонтальной осью или продольные валы. По оценкам [1, 2] квазипараллельные валиковые структуры обеспечивают от 20 до 60% всего тепло-массопереноса через АПС.
Возникновение продольных валов чаще всего является следствием гидродинамических неустойчивостей в АПС, в том числе и развития конвективной неустойчивости при умеренных ветрах (2–3.5 м/с) [3–7]. Квазидвумерные вихри могут распространяться на всю высоту АПС, достигать горизонтального масштаба (поперек вала) в 3–5 км и существовать на протяжении нескольких дней [8–11]; а конвективное движение воздуха на границах валов при наличие достаточной влажности формирует облака, вытянутые в так называемые «облачные улицы» и хорошо визуализируемые на спутниковых снимках [6]. В случае отсутствия облаков валики могут регистрироваться с помощью SAR (satellite-borne synthetic aperture radar) радаров, позволяющих получить карты поверхностных ветров с разрешением 1 км [8, 12]. Угол между продольной осью валов и направлением геострофического ветра по наблюдениям обычно составляет 10°–20°. Линейная конвекция часто характерна для высоких широт, однако схожую полосчатую структуру можно наблюдать в пограничном слое развитого тропического урагана [1, 8, 13–17], в средней полосе России над однородным лесным пологом вследствие развития неустойчивости [18] и т. д.
Изучение механизма генерации валиков началось еще в 1960-х годах, когда был проведен линейный анализ устойчивости нейтрально стратифицированного АПС [3, 19]. Упрощенный нелинейный анализ устойчивости был выполнен в [4, 20, 21]. По наиболее быстрорастущей моде предсказывались характеристики валиков–масштаб, связанные с длиной волны, угол ориентации валиков относительно геострофической скорости, значения компонент скорости в валиках, каскад энергии, влияние стратификации, бароклинности атмосферы [12]. Было получено объяснение механизму образования вторичной циркуляции, находящейся в равновесии с основным потоком. При этом реально наблюдаемые периоды валиков и соотношение их горизонтальных и вертикальных масштабов оказываются нередко много больше предсказанных теорией значений. Также есть трудности в определении амплитудных характеристик когерентных структур в АПС.
Детальное исследование валиковой циркуляции при различных условиях проводилось в [7, 22–24]. Анализ нелинейной задачи в диапазоне чисел Рейнольдса от 100 до 400 проводился в [25], где в качестве модели исследования использовалась квазидвумерная двухмасштабная численная модель мезомасштабных процессов. Такая модель является полезной основой для гидродинамических исследований, стабильно демонстрирует появление продольных вихрей и позволяет непосредственно сфокусироваться на изучении параметров когерентных структур. Подробное описание модели, варианты использования даны в [25]. Помимо квазидвумерной модели распространено прямое численное моделирование (DNS) [26, 27] и вихреразрешающее моделирование (LES) [28–34]. Получение адекватной картины распределения когерентных структур в DNS-моделировании [26, 27] затруднено — небольшие трехмерные возмущения приводят к неустойчивости и разрушению спиралевидных вихрей. LES-моделирование до недавнего времени [28, 29] также не приводило к явной картине валиковой циркуляции вследствие недостаточной детализации сетки и сложности «попадания» на неустойчивые моды. Благодаря развитию различных мезомасштабных моделей (WRF, RAMS и др.), в частности, включению новых параметризаций, стало возможным моделирование продольных вихрей в АПС [31–34], при определенном соотношении глубины пограничного слоя и масштаба длины Монина–Обухова, конвективные ячейки Рэлея–Бенара трансформируются в валиковую циркуляцию [30, 31, 33]. Есть опасность возникновения при детализированных расчетах т. н. сильно растущих «оптимальных возмущений» [12], приводящих к перманентой генерации стриков — короткоживущих, мелкомасштабных, расположенных близко к земле быстро чередующихся продольных валиков [12, 29, 35–37], устойчивость которых еще недостаточно изучена. Соответственно в данном исследовании LES-моделирование не проводится на мелкой сетке, а наилучшие результаты получаются при горизонтальном шаге сетки, равном 150–100 м. Такое требование также обусловлено ограничением расчетных машинных мощностей и необходимостью превышения размеров расчетной области размерам когерентных структур, что позволило проанализировать взаимное влияние различных типов неустойчивостей и отметить существование асимметрии полей скорости и спиральности внутри циркулирующих потоков и проследить путь захваченных валиками частичек пыли, стремящихся к образованию аэрозольных слоев.
Исследование продольных вихрей тесно связано с понятием спиральности — скалярного произведения поля скорости и завихренности [38–45], поскольку турбулентные движения в АПС обладают ненулевой спиральностью в связи с совместным действием турбулентного трения и силы Кориолиса.
В присутствие квазипараллельных валиковых структур в конвективном пограничном слое весьма заметным оказывается общее количество поднимаемой пыли [46–51], поскольку, развивающиеся на их фоне мезомасштабные и суб-мезомасштабные конвективные и вихревые движения могут приводить к локальным превышениям пороговой скорости ветра, и, как следствие, инициировать кратковременно в отдельных областях сальтацию пыли [52, 53] и последующий ее транспорт на большие расстояния. Когда скорость ветра превышает 5 м/с, тонкодисперсный аэрозоль легко переходит в атмосферу, поднимается на значительную высоту и может длительное время находиться в воздухе, что в итоге может приводить к образованию аэрозольных слоев.
Блестящий анализ взаимодействия вихрей с частицами был выполнен, в частности, Н.Е. Жуковским в 1911 г., при рассмотрении задачи о формировании снежных заносов и заилению рек [54]. Впоследствии вводились поправки на инерцию частицы [55], рассматривалась динамика частиц в вихревых течениях и особых точках [56, 57], концентрация частиц в пограничных слоях в каналах [58], гамильтонова и стохастическая динамика частиц в течениях с закрученными вихревыми нитями [59]. Отмечалось, что спиральная структура течения интенсифицирует продольный транспорт примеси. Прямое численное моделирование полных уравнений атмосферного конвективного пограничного слоя в аридных условиях проводилось в [46, 60]. В рамках темы настоящей статьи представляют интерес исследования с использованием вихреразрешающего моделирования взвешенных пылевых слоев в когерентных структурах АПС [32, 34, 61, 62].
Процессы выноса, распределения и переноса аэрозоля, в особенности на аридных и семиаридных областях юга Европейской территории России, в большой степени определяют состав атмосферы и региональную изменчивость климата. Атмосферный пылевой аэрозоль оказывает значительное влияние на региональный и глобальный климат [63–65].
Адекватное описание данных о пространственных масштабах и других характеристиках когерентных структур; теоретическое и численное моделирование этих структур в АПС; развитие численных моделей, учитывающих процессы выноса аэрозольных частиц с подстилающей поверхности и их интенсивного переноса на дальние расстояния при участии валиковой циркуляции; формирование аэрозольных слоев в верхней части АПС; а также учет этих структур, процессов и факторов в моделях пограничного слоя, необходимы для успешного прогнозирования различных погодных явлений и представляются весьма актуальным.
2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ WRF-ARW И WRF-CHEM
Для исследования синоптической ситуации была выбрана открытая исследовательская негидростатическая мезомасштабная атмосферная модель WRF (версия 3.9.1.1) — Weather Research and Forecasting [66, 67]. В частности, модуль WRF-LES для воспроизведения мезомасштабной вихревой циркуляции с хорошим разрешением и модель WRF-Chem для воспроизведения переноса на дальние расстояния аридного аэрозоля в верхних слоях АПС с учетом мезомасштабной вихревой циркуляции. В настоящее время открытая модель WRF является одной из наиболее универсальных и отлаженных открытых систем моделирования атмосферы. Она успешно и широко используется для метеорологического прогнозирования и исследовательских целей в научных организациях и метеослужбах многих стран и продолжает непрерывно развиваться.
При расчетах использовались вложенные сетки. Вся расчетная область 300 × 225 км рассчитывается на крупной сетке 210 × 138 узлов по горизонтали с шагом 1620 м. Вложенная область детализованного расчета 75 × 50 км считается на сетке 556 × 355 узлов с шагом 540 м, вложенная область (для последующего LES-моделирования) 75 × 50 км — на сетке 742 × 607 узлов по горизонтали с шагом 180 м. По вертикали все области имеют 35 уровней до высоты 5000 м со сгущением в пограничном слое. В качестве начальных и граничных данных использованы поля реанализа GFS. Расчет начат за сутки до изучаемого момента. Одному шагу расчета по времени для крупной области соответствует 3 шага расчета по времени для вложенной области. Временной интервал между начальными полями метеопараметров глобального операционного анализа GFS на сетке 1 × 1 градус равен 6 часам. Координаты центра расчетной области соответствуют 45.33° с. ш. и 46.04° в. д. Отметим, что мезомасштабная циркуляция начинает неплохо воспроизводиться на сетках с горизонтальным масштабом не более 500 м. В этом случае на поперечный размер структуры приходится 5–10 сеточных узлов, что позволяет воспроизводить их основные характеристики. Более детальное воспроизведение подобных движений в пограничном слое требует разрешения на порядок больше — 50 по горизонтали и 10 м по вертикали. В настоящее время это возможно сделать в рамках WRF-LES модели. В этой модели увеличение пространственного разрешения по горизонтальным координатам является более выгодным, чем увеличение вертикального пространственного разрешения. Уменьшение пространственного масштаба менее 50 м практически не улучшает никакие аспекты гидрометеорологических состояний [68]. В настоящем случае для мезомасштабных когерентных структур определено оптимальное пространственное разрешение примерно 100–180 м.
Для параметризации пограничного слоя использована схема Меллора–Ямады–Янича, промежуточная Shin-Hong scheme и LES параметризация; для параметризации приземного слоя используется теория Монина–Обухова; Rapid Radiative Transfer Model и Goddard shortwave (Two-stream multi-band scheme) выбраны для параметризации длинноволнового и коротковолнового излучения; для параметризации турбулентности принята схема полной диффузии с использованием трехмерного метода Смагоринского и для LES-моделирования — схема простой диффузии с использованием двухмерного метода (коэффициент K определяется только с использованием горизонтальной деформации); Morrison double-Momentum scheme применена для параметризации микрофизики; Unified Noah land-surface model — для параметризации параметров земной поверхности.
WRF-Chem (версия 3.9.1.1) — версия модели WRF, которая позволяет воспроизводить характеристики газовых примесей, аэрозолей и других химических веществ совместно с метеорологическими полями в АПС [69]. Поток аэрозоля с подстилающей поверхности описывается с помощью схемы параметризации GOCART with UoC modifications dust scheme, описанной в [70–72]. При моделировании на WRF-Chem размер расчетной области должен покрывать всю протяженность квазидвумерных валов, для анализа воздействия валиковой циркуляции на характеристики эмиссии и транспортные свойства пыли. В настоящей работе горизонтальная сетка с пространственным разрешением 540 м позволяет получить результаты с достаточной степенью точности.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВАЛИКОВОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ПРИ ПОМОЩИ КВАЗИДВУМЕРНОЙ МОДЕЛИ И МОДЕЛИ WRF-ARW
Основные уравнения квазидвумерной модели для нелинейного режима развития вторичных вихревых структур в АПС, составляющие скорости среднего течения, стационарное решение на верхней границе, описание численной реализации и вычислительного алгоритма, ограничение на шаг по времени, описание кода программы на языке Fortran, описание начальных и граничных условий, уравнения для плотности энергии и спиральности валиковых структур, последовательность вычислений рассмотрены в [25]. Было отмечено развитие асимметрии продольной компоненты скорости с ростом числа Рейнольдса Re с увеличением экстремальных значений амплитуды отрицательной продольной компоненты скорости (против направления геострофического ветра) по сравнению с положительной амплитудой (по направлению ветра). А также увеличение асимметрии положительных и отрицательных значений спиральности (по и против направления геострофического ветра) с ростом Re. Амплитуды положительной составляющей спиральности превышают амплитуды отрицательной составляющей спиральности.
Модельные результаты по асимметрии подтверждались пространственно-временной разверткой данных акустического зондирования содарами для синоптической ситуации, наблюдаемой в Калмыкии 28 июля 2007 г (рис. 1) [5]. В 14:03 по московскому времени (10 UTC) наблюдается развитая мезомасштабная циркуляция. Точкой 1 обозначена точка измерения данных, угол отклонения валов от направления восток–запад: 35°, геострофический ветер направлен на восток–юго-восток. Пространственный период наблюдаемых облачных улиц меняется в диапазоне 4 ÷ 7 км. Высота центров валиков — 1000 ÷ 1100 км. Результаты акустического зондирования по временному ходу продольной скорости вдоль валика и по высотно-временной развертке представлены на рис. 15, 16 в [25]. Хорошо видно преобладание области с отрицательными значениями продольной скорости, направленными примерно против направления геострофического ветра — наблюдается асимметрия продольной компоненты скорости. На рис. 17, 18 в [25] представлено распределение средней по высоте слою (по 29 уровням в слое 0–870 м) продольной скорости вдоль направления валиков и гистограмма распределений значений продольной компоненты скорости в пределах высоты пограничного слоя на основе расчетных данных для Re = 300. Гистограмма распределений значений продольной компоненты скорости в пределах высоты пограничного слоя построена на основе расчетных данных для Re = 300.
Рис. 1. Облачные улицы над районом содарных измерений, снимок MODIS-AQUA 28 июля 2007 г., 14:03 (московское время).
Рассмотрим более подробно развивающуюся мезомасштабную циркуляцию в АПС. Для этого воспользуемся результатами численного моделирования в модели WRF-ARW. Особое внимание будем уделять пространственным характеристикам получившихся структур: масштабу, периоду, асимметрии компонент скорости и спиральности.
По результатам численного моделирования на полях вертикальной скорости хорошо видна полосчатая структура — результат визуализации валиковой циркуляции (рис. 2).
Рис. 2. Изоповерхности вертикальной компоненты скорости ветра, W = 1 м/с, вид сверху. Концентрические окружности обозначают расположение точки наблюдений, высота области по вертикали примерно 3 км. Модель WRF-ARW 28 июля 2007 г., сверху вниз: 7UTC. 7:30 UTC и 8UTC.
Вытянутая структура облаков также подтверждает наличие валиков (рис. 3).
Рис. 3. Доля облачности над районом измерений, вид сверху. Концентрические окружности обозначают расположение точки наблюдений. Правый нижний угол расчетной области — высокая облачность, низкая — в верхней, центральной и нижней областях. Модель WRF-ARW 28 июля 2007 г., 8UTC. Шаг сетки сверху вниз — 540 и 180 м соответственно.
Пространственный период однонаправленных валиков оценивался по полям вертикальной скорости, построенных в широтном 45.3° с. ш. и долготном 46.04° в. д. (рис. 4) разрезах, и составляет 3 ÷ 5 км. Горизонтальный масштаб в поперечном сечении — 2 ÷ 3 км, по вертикали квазидвумерные вихри могут распространяться на всю толщину экмановского пограничного слоя. Максимальная положительная и отрицательная скорость в широтном разрезе составляет 5.084 м/с и –4.448 м/с соответственно; для долготного разреза — 5.692 м/с и –3.403 м/с соответственно.
Рис. 4. Пространственное распределение вертикальной компоненты скорости ветра по осям Y(lat)Z и X(lon)Z, интервал между контурами равен 1 м/с. Отрицательные значения показаны пунктирной линией, нулевые — серой сплошной. Модель WRF-ARW, 28 июля 2007 г., 8UTC. Шаг сетки 180 м. По оси ординат — высота Z в км, по оси абсцисс – широта и долгота (слева направо) в градусах.
Для этих же сечений на рис. 5 и 6 представлены пространственные распределения горизонтальных компонент скорости ветра, направленных по осям, касательным к широте (рис. 5) и долготе (рис. 6). Отчетливо наблюдается асимметрия валов — для компоненты скорости, направленной касательно к широте максимальная положительная и отрицательная скорость в широтном разрезе составляет 2.831 м/с и –3.673 м/с соответственно, асимметрия (разность модулей компонент скорости в области валика) горизонтальной скорости на этом сечении — 0.842 м/с; для долготного разреза максимальная положительная и отрицательная скорость равна 7.379 м/с и –3.908 м/с соответственно, асимметрия — 3.471 м/с. Для компоненты скорости, направленной касательно к долготе максимальная положительная и отрицательная скорость в широтном разрезе составляет 3.458 м/с и –4.242 м/с соответственно, асимметрия горизонтальной скорости на этом сечении — 0.784 м/с; для долготного разреза максимальная положительная и отрицательная скорость равна 3.364 м/с и –1.716 м/с соответственно, асимметрия горизонтальной скорости на этом сечении — 1.648 м/с. Обратный знак для асимметрии в долготном разрезе связан с превалирующим здесь вкладом от геострофического ветра, направленного на восток–северо-восток.
Рис. 5. Пространственное распределение по осям Y(lat)Z и X(lon)Z горизонтальной компоненты скорости ветра, направленных по оси, касательной к широте, интервал между контурами равен 1 м/с. Отрицательные значения показаны пунктирной линией, нулевые — серой сплошной. Модель WRF-ARW, 28 июля 2007 г., 8UTC. Шаг сетки 180 м. По оси ординат – высота Z в км, по оси абсцисс — долгота и широта (слева направо) в градусах.
Рис. 6. Пространственное распределение по осям Y(lat)Z и X(lon)Z горизонтальной компоненты скорости ветра, направленных по оси, касательной к долготе, интервал между контурами равен 1 м/с. Отрицательные значения показаны пунктирной линией, нулевые — серой сплошной. Модель WRF-ARW, 28 июля 2007 г., 8UTC. Шаг сетки 180 м. По оси ординат — высота Z в км, по оси абсцисс — долгота и широта (слева направо) в градусах.
Для более наглядной демонстрации и упрощению оценки таких характеристик валиковой циркуляции, как асимметрия, использовались сечения, перпендикулярные оси валов. Одно из них представлено на рис. 7.
Рис. 7. Пространственное распределение вертикальной скорости по оси Z и по оси, приблизительно перпендикулярной оси валов (черная линия со стрелкой на верхнем рисунке). Диапазон изменения скорости примерно от –7 м/с (темно-серый цвет на нижнем рисунке) до –6 м/с (светло-серый цвет на нижнем рисунке). Модель WRF-ARW, 28 июля 2007 г., 8UTC. Шаг сетки 180 м. По оси ординат — высота Z в м, по оси абсцисс — расстояние вдоль наклонной кривой (верхний рисунок) в км. На верхнем рисунке представлена область расчета.
Центры структур, согласно результатам моделирования, расположены примерно на высотах 1000 ÷ 1200 м.
В АПС в обычных условиях значимыми являются горизонтальные компоненты спиральности, существенно превосходящие ее вертикальную составляющую [42, 43, 45]:
(1)
Здесь u, v, w — компоненты скорости валика по осям координат x, y, z. Горизонтальные производные значительно меньше вертикальных (на 3–4 порядка), поэтому второй тип асимметрии — асимметрию спиральности проиллюстрируем по широтному разрезу для компоненты скорости (рис. 8).
Рис. 8. Пространственное распределение по осям Y(lat)Z и X(lon)Z (сверху вниз) компоненты спиральности H, интервал между контурами равен 0.01 м/с2. Отрицательные значения показаны пунктирной линией, нулевые — серой сплошной. Модель WRF-ARW, 28 июля 2007 г., 8UTC. Шаг сетки 180 м. По оси ординат — высота Z в км, по оси абсцисс — долгота и широта (сверху вниз) в градусах.
Максимальная положительная и отрицательная спиральность в широтном разрезе составляет 0.0262 м/с2 и –0.0558 м/с2, соответственно, преобладание отрицательной составляющей, асимметрия компоненты спиральности H на этом сечении — 0.0206 м/с2. Максимальная положительная и отрицательная спиральность в долготном разрезе составляет 0.0715 м/с2 и –0.0382 м/с2 соответственно, преобладание положительной составляющей, асимметрия компоненты спиральности H на этом сечении — 0.0333 м/с2. Значения спиральности оказываются близкими, к оценкам в [38] и полученным по данным акустического зондирования [45].
4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИХРЕЙ С ЧАСТИЦАМИ. КВАЗИДВУМЕРНАЯ МОДЕЛЬ
Движение элементарного объема жидкости может быть описано уравнением Ланжевена:
(2)
где v(x, t) — поле скорости в эйлеровой системе координат в точке X в момент времени t, η(X, t) — шумовой член, отвечающий за молекулярную диффузию. Поле скорости состоит из двух членов:
(3)
где V(x, t) — крупномасштабное, а v t(x, t) — мелкомасштабное (турбулентное) поле скорости. Пренебрегая диффузией, получим уравнение переноса малых частиц:
Здесь включена скорость гравитационного оседания Vg, вектор. Для скорости оседания можно использовать соотношение, связывающее ее с размерами и плотностью частицы [73]
(4)
— коэффициент аэродинамического сопротивления.
Рассмотрим влияние вихревых структур на процессы атмосферного переноса. В плоскости {y, z} структуры описываются функцией тока:
(5)
Скорость вдоль структуры не важна в данной постановке. Уравнения движения частиц: Уравнение может быть представлено в форме: где
Неявное решение
(6)
где Y0 и Z0 — координаты частицы в момент времени t = 0. Для оценки эффекта крупномасштабных вихревых структур рассмотрим простейшее представление (постоянной) завихренности для валика:
Здесь полагаем, что центры горизонтальных валиков находятся на высоте z = h. Тогда уравнения движения частиц пыли:
Откуда получим:
(7)
Видно, что частицы, находящиеся в начальный момент времени в области не могут достичь поверхности и формируют таким образом слой, который движется вместе с потоком. Такие аэрозольные структуры могут наблюдаться в АПС [74].
На рис. 9 представлена скорость оседания Vg частиц пыли в зависимости от размера (результат расчета (4)) и время оседания t в часах с высоты 1 км в зависимости от размера. Частицы могут находиться в воздухе много часов, схожие результаты получены и с помощью численного моделирования на WRF-Chem и представлены в следующей части нашей статьи.
Рис. 9. а) Скорость оседания Vg частиц пыли и б) время оседания t с высоты 1 км в зависимости от размера частиц (результат расчета с учетом (4)).
Рассмотрим перенос и захват частиц вихревыми структурами в АПС на основе полей скорости квазидвумерной модели [25] (число Рейнольдса — 250). Траектории движения частиц с медианным размером 6, 5 и 4 мкм пылевого аэрозоля показаны на рис. 10 в направлении, перпендикулярном оси валиков и на рис. 11 — вид сверху. По результатам такого совместного моделирования видно, что мелкодисперсные частицы долгое время удерживаются структурами и способны переноситься на большие расстояния. Оседание становится заметным примерно на расстояниях в 10 км.
Рис. 10. Захват частиц аэрозоля квазидвумерными вихрями. Траектории движения частиц. Сверху вниз изображены три момента времени – начальный вброс частиц в поток, промежуточное движение, циркуляция уловленных частиц внутри валов. Темно-серыми кругами, черными квадратами и светло-серыми треугольниками обозначены, соответственно, частицы с медианным размером 6, 5 и 4 мкм. Направление, перпендикулярное оси валиков. По осям абсцисс и ординат – координаты в безразмерном виде, описание см. [25], моменты времени (сверху вниз): 0 ч, 1ч 45 мин, 35 ч 15 мин с момента начала расчета.
Рис. 11. Захват частиц аэрозоля квазидвумерными вихрями. Траектории движения частиц. Сверху вниз изображены три момента времени – начальный вброс частиц в поток, промежуточное движение, циркуляция уловленных частиц внутри валов. Темно-серыми кругами, черными квадратами и светло-серыми треугольниками обозначены, соответственно, частицы с медианным размером 6, 5 и 4 мкм. Вид сверху. Движение валиков происходит слева направо. По осям абсцисс и ординат – координаты в безразмерном виде, описание см. [25], моменты времени (сверху вниз): 0 ч, 1ч 30 мин, 6 ч 12 мин с момента начала расчета.
Реальный характер движения частиц в атмосферном потоке более сложный из-за влияния частиц на турбулентные пульсации. Этот момент учитывается в модели WRF-Chem, что позволяет получить лучшее представление о характере подъема и переноса аэрозоля с подстилающей поверхности.
5. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА WRF-CHEM
По результатам численного моделирования в WRF-Chem событие (валиковая циркуляция) наблюдалось приблизительно с 7UTC до 9UTC и оказалось сдвинуто по времени назад на 2–3 ч по сравнению с данными акустического зондирования в районе измерений (Калмыкия, 28 июля 2007 г.) и спутниковых изображений. Анализировалась эмиссия аэрозолей в период действия квазидвумерных вихрей, поэтому блок подъема пыли работал только с 7UTC до 8UTC, а далее исследовалось эволюция облака пыли при наличие валиков в АПС. Для визуализации выбран момент времени на конец работы блока эмиссии — 8UTC.
Мезомасштабная валиковая циркуляция оказывает существенное влияние на процессы захвата и подъема частичек. Валики способны поднять пыль выше АПС, благодаря восходящим потокам воздуха. Эмиссия аэрозоля преимущественно происходит с поверхностей, расположенных под структурами. Направление дальнейшего переноса пыли в значительной степени определяется углом отклонения валиков от геострофического ветра (см. рис. 12 для 8UTC и 9UTC) и достигает нескольких км, что видно по сдвигу пылевого облака.
Рис. 12. Доля облачности (черным цветом) — для 8UTC; и массовое содержание минерального аэрозоля (в оттенках серого) — сверху вниз для 8UTC, 9UTC, 10UTC и 11UTC; над районом измерений, вид сверху. Концентрические окружности обозначают расположение точки наблюдений. Черная линия со стрелкой показывает направление, примерно перпендикулярное оси валиков. Модель WRF-ARW, 28 июля 2007 г. Шаг сетки 540 м.
Поднятое облако пыли трансформируется, вытягиваясь и перемещаясь вдоль валиков (рис. 12). Массовое содержание мелких частиц (с медианным размером до 5 мкм) сильно изменяется после разрушения валов: 0.495 мкг/кг сухого воздуха (8UTC), 0.0213 мкг/кг сухого воздуха (9UTC), 5.4 × 10–3 мкг/кг сухого воздуха (10UTC), 2.2 × 10–3 мкг/кг сухого воздуха (11UTC). В период действия валиковой циркуляции захваченные частицы долгое время находятся во взвешенном состоянии, образуя полосчатую структуру — аэрозольные слои.
Некоторое пространственное отклонение области подъема облака пыли может быть вызвано нелинейными эффектами в АПС, в частности, асимметрией скорости вихрей, расхождением размеров и периодов соседних валиков, наличием в АПС вторичной циркуляции различных пространственных масштабов — от крупномасштабных, мезомасштабных вихрей до мелкомасштабных стриков, расположенных у поверхности земли. Кроме того, исходные данные по эрозии почвы, необходимые в блоке расчета пыли в численной модели WRF-Chem в качестве начальных и граничных условий, для территории России имеют очень недостаточное расширение и требуют уточнения. Возможным путем решения этой проблемы является отказ от карт эродированности почв с последующим использованием различных методик расчета потоков эмиссии аэрозоля с подстилающей поверхности. Для условий Калмыкии перспективной является теория выноса аэрозоля при условии слабых ветров (до 4 м/с), когда высокий градиент температуры у быстро нагревающейся поверхности создает условия для формирования больших подъемных сил [75, 76]. Включение указанной модели эмиссии с поверхности полупустынных и пустынных зон в мезомасштабную модель WRF-Chem и получение результатов с хорошим разрешением является темой наших дальнейших исследований.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе развивающаяся мезомасштабная циркуляция в АПС детально исследовалась при помощи численного моделирования на модели WRF-ARW и WRF-Chem. Особенности циркуляции неплохо воспроизводятся при расчетах с горизонтальным разрешением 540–180 м. Отмечается наличие асимметрии компонент скорости ветра и компонент спиральности, полученное ранее для квазидвумерной модели [25]. Для синоптической ситуации в Калмыкии в июле 2007 года асимметрия достигает значений примерно от 0.784 м/с до 3.471 м/с для горизонтальной скорости и от 0.0206 м/с2 до 0.0333 м/с2 для спиральности по широтному и долготному разрезам.
Моделирование захвата частиц пыли горизонтально ориентированными вихревыми структурами в квазидвумерной модели указывает на возможность захвата и длительного удержания частиц в окрестности максимальной концентрации завихренности. Долгоживущие вихревые циркуляционные системы в АПС оказываются не менее интенсивным источником транспорта примесей, чем интенсивные вихри с вертикальной осью. Частицы могут переноситься на большие расстояния — чем мельче частица, тем больше расстояние. Например, частицы с медианным размером 6 мкм начинают заметно оседать после 10-километрового «путешествия» в свободной атмосфере. Другие продолжаются двигаться внутри вихрей, что приводит к образованию аэрозольных слоев.
Движение пылевых частиц в естественных условиях исследовалось с помощью модели WRF-Chem. Было получено подтверждение результатов о возможности захвата пылевых частиц организованными вихревыми структурами, продемонстрированных для простых моделей. Эмиссия аэрозоля происходит преимущественно под валами, наличие которых существенно интенсифицировало подъем пыли, в том числе, по высоте подъема. Валиковая циркуляция способна удерживать мелкодисперсный аэрозоль и образовывать взвешенные облака пыли — аэрозольные слои — протяженностью в несколько км. Подобные слои наблюдались, в частности, с борта самолета при лидарном зондировании [74].
Источники финансирования. Исследования выполнены при поддержке РФФИ: проекты 18-35-00600, 17-05-0116, а также Программ фундаментальных исследований Президиума РАН №№ 28, 51.
Об авторах
Н. В. Вазаева
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН; МГТУ им. Н.Э. Баумана
Автор, ответственный за переписку.
Email: vazaevanv@ifaran.ru
Россия, 119017 Москва, Пыжевский пер., 3; 105005 Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1
О. Г. Чхетиани
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
Email: vazaevanv@ifaran.ru
Россия, 119017 Москва, Пыжевский пер., 3
Л. О. Максименков
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
Email: vazaevanv@ifaran.ru
Россия, 119017 Москва, Пыжевский пер., 3
Список литературы
- Wurman J., Winslow J. Intense Sub-Kilometer-Scale Boundary Layer Rolls Observed in Hurricane Fran. // Science. 1998. V. 280. № 5363. P. 555–557.
- Chou S.H., Ferguson M.P. Heat fluxes and roll circulations over the western Gulf Stream during an intense cold-air outbreak. // Boundary-Layer Meteorology. 1991. V. 55. № 3. P. 255–281.
- Орданович А.Е., Пашковская Ю.В. Влияние термической стратификации на устойчивость экмановского течения // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 1998. № 3. С. 71–75.
- Kaylor R.E., Faller A. Instability of the stratified Ekman boundary layer and the generation of internal waves // J. Atmos. Sci. 1972. V. 29. № 3. P. 497–509.
- Гранберг И.Г., Крамар В.Ф., Кузнецов Р.Д., Чхетиани О.Г., Каллистратова М.А., Куличков С.Н., Артамонова М.С., Кузнецов Д.Д., Перепелкин В.Г., Погарский Ф.А. Исследование пространственной структуры атмосферного пограничного слоя сетью доплеровских содаров // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. T. 45. № 5. C. 579–587.
- Etling D., Brown R.A. Roll vortices in the planetary boundary layer. A review. // Boundary-Layer. Meteorol. 1993. V. 65. № 3. P. 215–248.
- Brown R.A. Longitudinal instabilities and secondary flows in the planetary boundary layer // Rev. Geophys. Space Phus. 1980. V. 18. № 3. P. 683–697.
- Foster R. Signature of large aspect ratio roll vortices in synthetic aperture radar images of tropical cyclones // Oceanography. 2013. V. 26. № 2. P. 58–67.
- Chou S.H., Atlas D. Satellite estimates of ocean-air heat fluxes during cold air outbreaks // Monthly Weather Review. 1982. V. 110. № 10. P. 1434–1450.
- Hein P.F., Brown R.A. Observations of longitudinal roll vortices during arctic cold air outbreaks over open water // Boundary-Layer Meteorol. 1988. V. 45. № 1–2. P. 177–199.
- Brümmer B. Roll and cell convection in wintertime arctic cold-air outbreaks // J. Atmos. Sci. 1999. V. 56. № 15. P. 2613–2636.
- Foster R.C. Structure and energetics of optimal Ekman layer perturbations // Journal of Fluid Mechanics. 1997. V. 333. P. 97–123.
- Morrison H., Curry J. A., Khvorostyanov V.I. A New Double-Moment Microphysics Parameterization for Application in Cloud and Climate Models. Part I: Description. // J. Atmos. Sci. 2005. V. 62. № 6. P. 1665–1677.
- Foster R.C. Why rolls are prevalent in the hurricane boundary layer // J. Atmos. Sci. 2005. V. 62. № 8. P. 2647–2661.
- Ginis I., Khain A.P., Morozovsky E. Effects of large eddies on the structure of the marine boundary layer under strong wind conditions // J. Atmos. Sci. 2004. V. 72. № 9. P. 3049–3063.
- Gao K., Ginis I. On the equilibrium-state roll vortices and their effects in the hurricane boundary layer // J. Atmos. Sci. 2016. V. 73. № 3. P. 1205–1222.
- Ito J., Oizumi T., Niino H. Near-surface coherent structures explored by large eddy simulation of entire tropical cyclones // Scientific reports. 2017. V. 7. № 1. P. 3798.
- Гаврилов К.А., Morvan D., Accary G., Любимов Д.В., Meradji S., Бессонов О.А. Численное моделирование когерентных структур при распространении примеси в атмосферном пограничном слое над лесным пологом // Вычислительная механика сплошных сред. 2010. Т. 3. № 2. С. 34–45
- Lilly D.K. On the stability of Ekman boundary flow // J. Atmos. Sci. 1966. V. 23. № 5. P. 481–494.
- Foster R.C. An analytic model for planetary boundary roll vortices: / Ph. D. thesis, University of Washington. Seattle, 1996. 195 p.
- Brown R.A. A secondary flow model for the planetary boundary layer // J. Atmos. Sci. 1970. V. 27. № 5. P. 742–757.
- Михайлова Л.А., Орданович А.Е. Моделирование двухмерных упорядоченных вихрей в пограничном слое атмосферы // Метеорология и гидрология. 1988. № 11. С. 29–42.
- Stensrud D.J., Shirer H.N. Development of boundary layer rolls from dynamic instabilities // J. Atmos. Sci. 1988. V.45. № 6. P. 1007–1019.
- Dubos T., Barthlott C., Drobinski P. Emergence and secondary instability of Ekman layer rolls // J. Atmos. Sci. 2008. V. 65. № 7. P. 2326–2342.
- Вазаева Н.В., Чхетиани О.Г., Шестакова Л.В., Максименков Л.О. Нелинейное развитие структур в экмановском слое // Вычисл. мех. сплош. сред. 2017. Т. 10. № 2. С. 197–211.
- Coleman G.N., Ferziger J.H., Spalart P.R. A numerical study of the turbulent Ekman layer // J. Fluid Mech. 1990. V. 213. P. 313–348.
- Coleman G.N., Ferziger J.H., Spalart P.R. A numerical study of the convective boundary layer // Boundary-Layer Meteor. 1994. V. 70. № 3. P. 247–272.
- Deardorff J.W. Numerical investigation of neutral and unstable planetary boundary layers // J. Atmos. Sci. 1972. V. 29. № 1. P. 91–115.
- Mason P., Thomson D. Large-eddy simulations of the neutral-static-stability planetary boundary layer. // Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 1987. V.113 P. 413–443.
- Salesky S.T., Chamecki M., Bou-Zeid E. On the nature of the transition between roll and cellular organization in the convective boundary layer // Boundary-layer meteorology. 2017. V. 163. № 1. P. 41–68.
- Moeng C.H., Dudhia J., Klemp J., Sullivan P. Examining two-way grid nesting for large eddy simulation of the PBL using the WRF model // Monthly weather review. 2007. V. 135. № 6. P. 2295–2311.
- Ito J., Niino H., Nakanishi M. Large eddy simulation on dust suspension in a convective mixed layer // SOLA. 2010. V. 6. P. 133–136.
- Ching J., Rotunno R., LeMone M., Martilli A., Kosovic B., Jimenez P.A., Dudhia J. Convectively induced secondary circulations in fine-grid mesoscale numerical weather prediction models // Monthly Weather Review. 2014. V. 142. № 9. P. 3284–3302.
- Zhang Y., Hu R., Zheng X. Large-scale coherent structures of suspended dust concentration in the neutral atmospheric surface layer: A large-eddy simulation study // Physics of Fluids. 2018. V. 30. № 4. P. 046601.
- Lin C.-L., McWilliams J., Moeng C.-H., Sullivan P. Coherent structures and dynamics in a neutrally stratified planetary boundary layer flow. // Phys. Fluids 1996. V. 8. P. 2626–2639.
- Drobinski P., Carlotti P., Redelsperger J.-L., Banta R., Masson V., Newsom R. Numerical and experimental investigation of the neutral atmospheric surface layer // J. Atmos. Sci. 2007. V. 64. № 1. P. 137–156.
- Hibino K., Ishikawa H., Ishioka K. Effect of a capping inversion on the stability of an Ekman boundary layer // Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II. 2012. V. 90. № 2. P. 311–319.
- Etling D. Some aspect of helicity in atmospheric flows // Beitr. Phys. Atmosph. 1985. V.58. № 1. P. 88–100.
- Курганский М.В. О связи между спиральностью и потенциальным вихрем в сжимаемой вращающейся жидкости // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1989. Т. 25. № 12. С. 1326–1329.
- Hide R. Superhelicity, helicity and potential vorticity // Geophys. Astrophys. Fluid Dyn. 1989. V. 48. № 1–3. P. 69–79.
- Чхетиани О.Г. О спиральной структуре экмановского пограничного слоя // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2001. Т. 37. № 5. С. 614–620.
- Копров Б.М., Копров В.М., Пономарев В.М., Чхетиани О.Г. Измерение турбулентной спиральности и ее спектра в пограничном слое атмосферы // ДАН. 2005. Т. 403. № 5. С. 627–630.
- Вазаева Н.В., Чхетиани О.Г., Кузнецов Р.Д., Каллистратова М.А., Крамар В.Ф., Люлюкин В.С., Кузнецов Д.Д. Оценка спиральности в атмосферном пограничном слое по данным акустического зондирования // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. T. 53. № 2. С. 174–186.
- Deusebio, E., Lindborg, E. Helicity in the Ekman boundary layer // J. Fluid Mech. 2014. V. 755. P. 654–671.
- Chkhetiani O.G., Kurgansky M.V., Vazaeva N.V. Turbulent Helicity in the Atmospheric Boundary Layer // Boundary-Layer Meteorology. 2018. V. 168. P. 361–385.
- Ponomarev V. M.: Micro-scale modelling of pollution dispersion in atmospheric boundary layer // Syst. Anal. Model. Sim. 1998. V. 30. P. 39–44.
- Gorchakov G. I., Koprov B. M., Shukurov K.A. Arid aerosol transport by vortices // Izvestia. Atmos. Ocean. Phys. 2003. V. 39. № 5. P. 596–608.
- Cakmur R.V., Miller R.L., Torres O. Incorporating the effect of small-scale circulations upon dust emission in an atmospheric general circulation model // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. № D7. D07201
- Takemi T., Yasui M., Zhou J., and Lichao Liu L. Role of boundary layer and cumulus convection on dust emission and transport over a midlatitude desert area // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. № D11. D11203.
- Marsham J.H., Parker D.J., Grams C.M., Johnson B.T., Grey W.M.F., and Ross A. N. Observations of mesoscale and boundary-layer scale circulations affecting dust transport and uplift over the Sahara // Atmos. Chem. Phys. 2008. V. 8. P. 6979–6993.
- Klose M. and Shao Y. Stochastic parameterization of dust emision and application to convective atmospheric conditions // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2012. V. 12. P. 3263–3293.
- Bagnold R. A. The Physics of Blown Sand and Desert Dunes, London: Methuen, 1941. 265 p.
- Shao Y. Physics and modelling of wind erosion, Boston: Kluwer Academic, 2000. 452 p.
- Жуковский Н.Е. О снежных заносах и заилении рек. — Собр.соч. в 7 томах. М. — Л. ГТТИ, 1949. Т. 3. С. 451–477.
- Maxey M.R. On the advection of spherical and non-spherical particles in a non-uniform flow // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 1990. V. 333. № 1631. P. 289–307.
- Островский Л.А. Динамика концентрации легких и тяжелых частиц в течениях жидкости // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1992. Т. 26. № 12. С. 1307–1314.
- Raju N., Meiburg E. Dynamics of small, spherical particles in vortical and stagnation point flow fields // Physics of Fluids. 1997. V. 9. № 2. P. 299–314.
- Narayanan C., Lakehal D., Botto L., Soldati A. Mechanisms of particle deposition in a fully developed turbulent open channel flow // Physics of Fluids. 2003. V. 15. № 3. P. 763–775.
- Mezić I., Leonard A., Wiggins S. Regular and chaotic particle motion near a helical vortex filament // Physica D. 1998. V. 111. № 1–4. P. 179–201.
- Алоян А.Е. Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. Москва: Наука, 2008. 415 с.
- Луценко С.В., Лебедев В.И., Лыкосов В.Н. Моделирование процессов переноса почвенного аэрозоля в конвективном пограничном слое атмосферы. Междунар. конф.«Физика атмосферного аэрозоля» к 85-летию со дня рождения Г.В. Розенберга. Москва, 12–17 апреля, 1999: Труды конф-1999. — с. 216.
- Ju T., Li X., Zhang H., Cai X., Song Y. Comparison of two different dust emission mechanisms over the Horqin Sandy Land area: Aerosols contribution and size distributions, Atmospheric Environment (2018).
- IPCC IV: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. New York: Cambridge Univ. Press, 2007. 940 p.
- Кондратьев К.Я., Ивлев Л.С. Климатология аэрозолей и облачность. Санкт-Петербург: ВВМ, 2008. 555 с.
- Knippertz P., Stuut J.-B.W. Mineral Dust: A Key Player in the Earth System. Springer, 2014. 510 p.
- Skamarock W.C., Klemp J.B., Dudhia J., Gill D.O., Barker D.M., Wang W., Powers J.G. A description of the Advanced Research WRF Version 3. NCAR Techn. Note-475 + STR. June 2008. 125 p.
- Вельтищев Н.Ф., Жупанов В.Д. Численные прогнозы погоды по негидростатическим моделям общего пользования WRF-ARW и WRF-NMM. В «80 лет Гидрометцентру России» сб. ст. 2010. С. 94‒135. М.: ТРИАДА ЛТД, 2010.
- Talbot C., Bou-Zeid E., Smith J. Nested mesoscale large-eddy simulations with WRF: performance in real test cases // Journal of Hydrometeorology. 2012. V. 13. № 5. P. 1421–1441.
- Grell G.A., Peckham S.E., Schmitz R., McKeen S.A., Frost G., Skamarock W.C., Eder B. Fully coupled “online” chemistry within the WRF model // Atmospheric Environment. 2005. V. 39. № 37. P. 6957–6975.
- Shao Y. A model for mineral dust emission // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2001. V. 106. № D17. P. 20239–20254.
- Shao Y. Simplification of a dust emission scheme and comparison with data // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2004. V. 109. № D10. D10202.
- Shao Y., Ishizuka M., Mikami M., Leys J.F. Parameterization of size‐resolved dust emission and validation with measurements // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2011. V. 116. № D8. D08203.
- Wei L., Chen Q. Calculation of drag force on an object settling in gas-solid fluidized beds // Particulate science and technology. 2001. V. 19. № 3. P. 229–238.
- Golitsyn G.S., Granberg I.G., Andronova A.V., Ponomarev V.M., Zilitinkevich S.S., Smirnov V.V., Yablokov M.Y. Investigation of boundary layer fine structure in arid regions: Injection of fine dust into the atmosphere // Water, Air and Soil Pollution: Focus. 2003. V. 3. № 2. P. 245–257.
- Гледзер E.Б., Гранберг И.Г., Чхетиани О.Г. Динамика воздуха вблизи поверхности почвы и конвективный вынос аэрозоля // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 1. С. 35–47.
- Vazaeva N.V., Chkhetiani O.G., Gledzer E.B., Artamonova M.S., Iordanskii M.A., Kurgansky M.V., Lebedev V.A., Maximenkov L.O., Obvintsev Y.I. Aerosol emission in the arid zones of Southern Russia // Report Series In Aerosol Science № 201 (2017): Proceedings of the 3rd Pan-Eurasian Experiment (PEEX) Conference and the 7th PEEX Meeting, Helsinki 2017, P. 518–520.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)