Динаміка турбулентно-циркуляційних та дифузійних процесів у нижньому шарі атмосфери над Україною - Автореферат

Внаслідок розширення інформаційної бази, вдосконалення методів чисельного прогнозування і збільшення можливостей обчислювальної техніки в цей час інтенсивно розробляються моделі, призначені для прогнозування основних характеристик термодинамічного і вологісного режиму нижніх шарів атмосфери на дрібних сітках. Первинний розрахунок траєкторій перенесення радіонуклідів, який засновувався на використанні характеристик великомасштабного обєктивного аналізу полів метеорологічних величин в нижньому шарі атмосфери, дозволив пояснити лише в першому наближенні експериментально встановлену плямистість в розподілі зон забруднення. Таким чином, актуальним і перспективним напрямом метеорологічних досліджень в Україні є створення моделей, які спільно описують мезомасштабну структуру турбулентно-циркуляційних і дифузійних процесів в нижньому шарі атмосфери над обмеженим регіоном. Для досягнення вказаної мети були сформульовані такі основні задачі дослідження, які включають: розробку гідродинамічної моделі спільного кількісного опису внутрішньої структури і процесів перенесення і розсіяння забруднених обємів повітря в нижньому шарі атмосфери з урахуванням ефектів орографії; Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що автором уперше вирішена науково-прикладна проблема спільного кількісного опису динаміки турбулентно-циркуляційних і дифузійних процесів в нижньому шарі атмосфери над Україною, яка включає відновлення детальної тривимірної структури АПС і просторового розподілу концентрацій забруднюючих речовин.Для визначення цих характеристик використовуються диференціальні рівняння для кінетичної енергії турбулентності і швидкості її дисипації. Ця модель включає прогностичні (руху, розповсюдження тепла, вологи, домішок) і діагностичні (статики, стану, нерозривності і дифузії) рівняння. Замикання здійснено за допомогою рівнянь балансу кінетичної енергії турбулентності (b), швидкості її дисипації () і співвідношення Колмогорова, яке повязує коефіцієнт вертикального турбулентного обміну (k) з b і . Для величин кінетичної енергії турбулентних вихорів і швидкості її дисипації нижня крайова умова формулюється, виходячи з умови непроникнення вихорів крізь підстилаючу поверхню, що означає рівність нулю потоку турбулентної кінетичної енергії. У другому розділі "Комплексний метод кількісного опису просторово-часового розподілу характеристик атмосферного примежового шару над Україною з використанням даних метеорологічних станцій і обєктивного аналізу" описується обчислювальний алгоритм задачі розрахунку характеристик турбулентно-циркуляційної структури нижнього шару атмосфери, який складається з таких блоків: Підготовка початкової інформації для тривимірної моделі на основі стандартної метеорологічної інформації в області визначення розвязання.Розроблена і реалізована гідродинамічна модель (АТЦДМ) сумісного опису внутрішньої структури і процесів перенесення і розсіяння забруднених обємів повітря в нижньому шарі атмосфери, яка включає моделі мезомасштабного АПС, регіонального перенесення і розсіяння домішок. Розроблена і реалізована методика параметризації ефектів орографії в задачі відновлення внутрішньої структури АПС і екологічного стану нижнього шару атмосфери. Виявлені основні закономірності розподілу характеристик турбулентно-циркуляційного режиму і екологічного стану нижнього шару атмосфери при характерних для України атмосферних процесах. Проведена оцінка точності відновлення циркуляційної структури нижньої атмосфери при використанні різних видів стандартної метеорологічної інформації, яка дозволяє зробити висновок про те, що модель допускає прийнятні значення похибки, і, отже, може бути використана для відновлення детальної турбулентно-циркуляційної мезомасштабної структури нижнього шару атмосфери. Отримані узагальнені характеристики внутрішньої структури нижнього шару атмосфери, регіонального перенесення і розсіяння домішок для широкого діапазону метеорологічних умов.

1. Загальний зміст роботи

1. Сформульована постановка задачі кількісного сумісного опису динаміки турбулентно-циркуляційних і дифузійних процесів в нижньому шарі атмосфери над обмеженим регіоном.

2. Розроблена і реалізована гідродинамічна модель (АТЦДМ) сумісного опису внутрішньої структури і процесів перенесення і розсіяння забруднених обємів повітря в нижньому шарі атмосфери, яка включає моделі мезомасштабного АПС, регіонального перенесення і розсіяння домішок.

3. Розроблена і реалізована методика параметризації ефектів орографії в задачі відновлення внутрішньої структури АПС і екологічного стану нижнього шару атмосфери.

4. Розроблена і реалізована концепція ближньої і далекої зон при заданні джерел домішки і описі забруднення повітряного басейну на різних відстанях від джерела.

5. Виявлені основні закономірності розподілу характеристик турбулентно-циркуляційного режиму і екологічного стану нижнього шару атмосфери при характерних для України атмосферних процесах.

6. Проведена оцінка точності відновлення циркуляційної структури нижньої атмосфери при використанні різних видів стандартної метеорологічної інформації, яка дозволяє зробити висновок про те, що модель допускає прийнятні значення похибки, і, отже, може бути використана для відновлення детальної турбулентно-циркуляційної мезомасштабної структури нижнього шару атмосфери.

7. Розроблена і реалізована методика класифікації умов формування внутрішньої структури АПС для розвязання задач екологічного моніторингу стану повітряного басейну в умовах України.

8. Отримані узагальнені характеристики внутрішньої структури нижнього шару атмосфери, регіонального перенесення і розсіяння домішок для широкого діапазону метеорологічних умов.

9. Створена компютерна інформаційна система для реалізації АТЦДМ і підтримки рішень по зниженню антропогенного впливу на повітряний басейн.

Основні положення дисертації викладені в таких роботах

Монографії

1. Степаненко С.Н. Динамика турбулентно-циркуляционных и диффузионных процессов в нижнем слое атмосферы над Украиной. - Одесса: Маяк, 1998, 286 с.

2. Шнайдман В.А., Тарнопольський А.Г., Степаненко С.М. Геофізична гідродинаміка: Підручник.- Одеса: ОГМІ, 1998. - 301с.

Наукові статті

3. Степаненко С.М., Шнайдман В.А. Зіставлення результатів узагальнення експериментальних даних і розрахунків по трьохпараметричній моделі планетарного примежового шару атмосфери // Труди Головної Геофізичної Обсерваторії, вип. 481, 1983, с. 144-151.

4. Степаненко С.М., Шнайдман В.А. Урахування бароклінністі в моделі ПСА // Збірник наукових трудів “Прикладні питання фізики атмосфери”, - Л: ЛГМІ. - 1984.- с. 42-49.

5. Павленко С.В., Степаненко С.М., Шнайдман В.А. Розрахунок інтенсивності турбулентності і вертикальних зсувів вітру на основі теоретичної моделі примежового шару атмосфери. // Труди Гідрометцентра СРСР. - 1985. -вип. 260, с. 27-33.

6. Степаненко С.М., Шнайдман В.А. Про можливу точність обліку ефектів бароклинністі при розрахунку профілів швидкості вітру в прикордонному шарі атмосфери. - Труди Головної Геофізичної Обсерваторії. - 1986. - вип. 504, с. 89-93.

7. Степаненко С.М., Абу-Обід А.Ю. Циклонічна діяльність на сході Середземного моря та її вплив на Йорданію // Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - 1995. -вип. 31, , с. 3-8.

8. Степаненко С.М., Абу-Обід А.Ю. Турбулентно-циркуляційний режим над сходом Середземноморя застосовно до задачі екологічного моніторингу // Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - 1995. -вип. 31, с. 8-11.

9. Степаненко С.М., Холодов О.М. Математичне забезпечення обробки даних обєктивного аналізу метеорологічних полів в задачі примежового шару атмосфери // Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - 1995. вип. 31, с 58-63.

10. Степаненко С.М., Холодов О.М. Турбулентно-циркуляційний режим примежового шару атмосфери над територією України для типової синоптичної ситуації // Метеорологія, кліматологія і гідрологія. 1995. - вип. 32, с. 83- 90.

11. Степаненко С.М., Козаченко І.В. Характеристики орографічних вертикальних рухів в районі Українських Карпат // Метеорологія, кліматологія і гідрологія. -1999. - вип. 36, с. 3- 16.

12. Степаненко С.М. Метод розрахунку концентрацій домішок в нижньому шарі атмосфери від точкового джерела // Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - 1999. - вип. 37, с. 118- 125.

13. Stepanenko S.N. Method of restoring the atmospheric boundary layer detail three-dimensional structure with the data of routine meteorological information // Res. Activities in Atmos. and Oceanic Modelling, WMO Report No. 25, 1997, р. 5.41-5.42.

14 Stepanenko S.N. Evaluation of exactitude of restoring of the lower atmosphere circulation structure on the base of а three-dimensional ABL model // Res. Activities in Atmos. and Oceanic Modelling, WMO Report No. 27, 1998, р. 5.13-5.14.

15. Shnaidman V.A., Stepanenko S.N., Tarnopolsky A.G. and Marinin I.L. The Circulation and Turbulence Structure in Mesoscale Atmospheric Boundary Layer over non-uniform surface // Annales Geophysicae. European Geophysical Society. 23th General Assembly. Part II. Hydrology, Oceans, Atmosphere & Nonlinear Geophysics. Supplement II to Volume 15, 1997, р. 425.

16. Stepanenko S.N. Method of Restoring the Atmospheric Boundary Layers Detail Three-Dimensional Structure with the Data of Routine Meteorological Information // Geophysical Researh Abstracts. European Geophysical Society. 24th General Assembly. Hydrology, Oceans and Atmosphere. Volume1, No. 2. 1999. - p.421.

17. Stepanenko S.N. Computing Algorithm of a Solution of the Three-Dimensional Non-Stationary Turbulent Diffusion Equation on the Base of Alternating Direction Method // Geophysical Researh Abstracts. European Geophysical Society. 24th General Assembly. Hydrology, Oceans and Atmosphere. Volume1, No. 2. 1999. - p.456.

18. Степаненко С.М., Холодов О.М., Циганова В.А. Компютерний аналіз термобаричної ситуації і турбулентно-циркуляційний режиму примежового шару атмосфери над територією України. У зб. "Методичні вказівки (на допомогу синоптику)". - Київ, Держкомгідромет України, 1996, з. 9-11.

19. Степаненко С.М., Абу-Обід А.Ю. Обєктивний аналіз метеорологічних величин - початкова інформація в задачі трансграничного перенесення над територією Середземноморя. - Депонована стаття ДНТБ України, №1158-Ук94 від 21.06.1994р.

20. Степаненко С.М., Холодов А.М. Турбулентно-циркуляційний режим примежового шару атмосфери при поширенні області високого тиску із західних районів України. - Депонована стаття ДНТБ України, №1421-Ук95 від 02.06.1995р.