Введение к работе
Актуальность темы.
Изучение закономерностей распространения примесей, попадающих в атмосферу от источников различного типа, является важной прикладной задачей физики атмосферы. Особый интерес представляет собой изучение загрязнений, связанных с пыльными и песчаными бурями, характерными для аридных и субаридных регионов.
Существенное влияние пыльные бури оказывают на деятельность авиации. С определенными трудностями связаны взлет и посадка воздушных судов, наземное обслуживание авиационной техники.
Относительно пыльных бурь накоплен довольно обширный материал :
исследованы метеорологические условия возникновения пыльных бурь ;
разработаны алгоритмы их прогноза ;
создана количественная теория переноса пыли ;
исследовано влияние циркуляционных особенностей атмосферы на возникновение и развитие пыльных бурь ;
проведено теоретическое обоснование механизма возникновения и развития пыльных бурь ;
исследована динамика приповерхностного слоя воздуха в условиях пыльной бури ;
изучено влияние пыли на метеорологические условия и климат ;
создано несколько моделей пыльных бурь.
Наряду с экспериментальным изучением количественных характеристик пыльных бурь, в диссертации рассматривается численное
-г -
моделирование переноса тяжелой примеси (пыли) в пограничном слое атмосферы (ПСА) на основе решения полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии с использованием реальной метеорологической информации.
Цель работы.
Разработка модели пыльной бури с учетом динамики приповерхностного ветропесчаного потока и реальной (или прогностической) входной метеорологической информации.
В основу модели пыльной бури положены системы гидродинамических уравнений, описывающих структуру ПСА в условиях горизонтальной неоднородности и динамику приповерхностного ветропесчаного потока.
Для определения пространственной концентрации твердых частиц, диффундирующих во всей толще ПСА (выше ветропесчаного потока) используется полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии.
Неизвестные компоненты скорости ветра и коэффициента турбулентности, входящие в это уравнение, определяются из системы гидродинамических уравнений, описывающих ПСА в условиях горизонтальной неоднородности (модель Б.Г.Ватера и Е.Д.Надежиной) . Краевые граничные условия для системы уравнений ПСА восстанавливаются по данным объективного анализа полей метеорологических величин или по данным карт барической топографии с использованием метода восстановления вертикальных профилей мегеовеличин в стационарном бароклинном слое атмосферы.
Ветропесчаный поток оказывает существенное влияние на вертикальные профили скорости ветра и характеристик турбулентности, поэтому моделирование пыльной бури осуществляется с уче-
том его динамики.
Полученные из решения системы уравнений динамики ветропесчаного потока вертикальные профили метеовеличин используются затем при "склеивании" этих решений на уровне верхней границы ветропесчаного потока с решением системы уравнений ПСА.
Таким образом, моделируется процесс набегания воздушного потока на пыльную (песчаную)поверхность, образование приповерхностного ветропесчаного потока и дальнейший перенос твердых частиц над этой поверхностью.
Реальная метеорологическая информация, используемая в модели, позволяет учитывать термическую стратификацию и баро-клинность атмосферы.
При моделировании пыльной бури учитываются функция распределения частиц по размерам (как лежащих на поверхности, так и диффундирующих в воздухе), источник генерации твердых частиц в атмосферу, а также дополнительная "подпитка" ПСА диффундирующими частицами из слоя сальтации (прыжок-падение) приповерхностного слоя воздуха по мере удаления от начала пыльной поверхности.
Научная новизна.
-
В модели учитывается влияние приповерхностного ветропесчаного потока на динамику возникновения и развития пыльной бури.
-
Предложено новое физически обоснованное задание нижнего граничного условия для уравнения турбулентной диффузии на верхней границе ветропесчаного потока вместо традиционного его задания на уровне шероховатости.
-
Учтено распределение частиц по размерам на подстилающей поверхности и диффундирующих в атмосфере.
4. В модели используется фактическая метеорологическая информация вертикальных распределений метеорологических величин при оь =0.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов.обусловлена корректной постановкой задачи, строгостью применения математического аппарата и, главное, удовлетворительным согласованием полученных результатов с данными измерений советско-американского эксперимента по изучению аридного аэрозоля (СЛПЭКС) и результатами других работ.
Практическая ценность.
-
Разработана математическая модель пыльной бури, достаточно полно отражающая процессы возникновения и развития пыльной бури в горизонтально-неоднородном ПСА.
-
Модель позволяет проводить расчеты по определению пространственной концентрации различных твердых примесей, количеству массы переносимых песка, пыли, соли и т.п. при различных метеорологических условиях.
-
Модель может быть использована при решении прикладных задач атмосферной оптики, в частности, по определению оптической дальности видимости в аэродисперсных средах.
-
При использовании входной прогностической метеоинформации можно претендовать на получение прогностического распределения метеорологических величин во всей толще БСА( скорости ветра, характеристик турбулентности, пространственной концентрации диффундирующего твердого аэрозоля).
-
Результаты используются в учебном процессе в Воронежском
- 5 _
ВВАИУ при изучении дисциплин "Физика атмосферы и космического пространства" и "Авиационная екология".
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Математическая модель пыльной бури в горизонтально-неоднородном ПСА,
-
Методика расчета, учитывающая фактическую метеорологическую информацию и динамику приповерхностного ветропесчаного потока.
-
Основные результаты исследования влияния внешних и внутренних параметров модели на пространственную концентрацию диффундирующих частиц в условиях пыльной бури.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на межвузовских республиканских конференциях в г.Воронеже:
-"Информационные технологии и системы. Технологические задачи механики сплошных сред", декабрь 1992 г.;
-"Информационные технологии и системы", октябрь 1993 г.;
-"Современные проблемы механики и математической физики", январь 1994 г.
Предварительные результаты докладывались на Ш научно-технической конференции "Проблемы повышения эффективности метеорологического, аэродромно-технического и инженерно-аэродромного обеспечения авиации ВС" в Воронежском ВВАИУ в мае 1992 г. Ход исследований и получаемые результаты докладывались на семинарах кафедры "Физика атмосферы и космического пространства" метеорологического факультета Воронежского ВВАИУ в 1992-1994 гг.
Проблемы практического применения результатов исследования обсуждались на семинарах в в/ч 75354 в апреле 1993 г. ив Роскомгидрометцентре РФ в апреле 1993 г. ив апреле 1994 г.
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 3 печатные работы, 7 тезисов докладов, выполнены 2 научно-исследовательские работы.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, грех разделов, заключения, библиографического указателя, в котором приведены 102 источника, и приложения. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 54 рисунка и 8 таблиц.